Ten artykuł dotyczy wielkości fizycznej i skal temperatury. Zobacz też:inne znaczenia.
Rys. 1 W przedstawionej animacji rozmiar atomówhelu przedstawiony jest proporcjonalnie do odległości między cząsteczkami jakie są przy ciśnieniu 136 atmosfer. Prędkość ruchu, odpowiadająca temperaturze pokojowej, została spowolniona dwa biliony razy lub odpowiada temperaturze 0,0003 K.
Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanówrównowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą.
Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobieciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.
Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy odruchucząsteczek, z których złożone jestciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrastaenergia tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. wgazie), zdrganiamiatomów, cząsteczek (np. wkrysztale), drganiami wewnętrznymi cząsteczki.
Prędkość atomów w ruchu termicznym (w temperaturze zbliżonej do pokojowej) jest duża. W temperaturze bliskiejzera bezwzględnego prędkość ta osiąga minimalne wartości. Na przykład w 1994 r. naukowcy z instytutuNIST otrzymali rekordowo niską temperaturę wynoszącą 700 nK (1 nK = 1×10−9 K). Dzięki użyciu laserowej techniki bezpośredniego pomiaru ruchu cząsteczek stwierdzono, że średnia prędkość atomów wynosiła wówczas 7 mm/s.
Cząsteczki, czyli obiekty złożone z dwóch, trzech i więcej atomów, takie jak np.O2, mają więcejstopni swobody ruchu niż pojedyncze atomy. Oprócz ruchu postępowego mogą również obracać się lub wykonywać drgania wewnętrzne (zmiana odległości między atomami w cząsteczce). Wzrost temperatury powoduje wzrostśredniejenergii kinetycznej każdego z rodzajów ruchu. Dlategogaz dwuatomowy, o cząsteczkach mających pięć stopni swobody, wymaga większego wkładu energii dla zmiany temperatury, co oznacza, że ma większeciepło właściwe niżgaz jednoatomowy, którego cząsteczki mają tylko trzy stopnie swobody.
Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii przez układ. Przy najmniejszej energii układ osiąga tzw. temperaturęzera bezwzględnego na termodynamicznej skali temperatury. W tej temperaturze cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię kinetyczną. Wedługmechaniki klasycznej energia ta osiąga wartość zero (cząsteczki pozostają w spoczynku). Zgodnie z mechaniką kwantową najmniejsza energia jest zazwyczaj większa od 0 (cząsteczki wykonują tzw.drgania zerowe). Temperaturazera absolutnego wynosi 0kelwinów (−273,15°C lub −459,67°F).
Temperatura bezwzględna układu złożonego z atomów, jak i kilkuatomowychcząsteczek jest wteorii kinetycznej gazów określona jako średniaenergia kinetyczna ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względemśrodka masy układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu:
W odróżnieniu od entropii i ciepła, którychmikroskopowe definicje obowiązują także w stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura może być zdefiniowana tylko w stanie równowagi lub lokalnej równowagi termodynamicznej.
Termodynamiczna definicja temperatury pozwala porównywać jej wartości, ale nie określa jej skali. Dlatego fizycy konstruująskale temperatury. Skala temperatury zawiera charakterystyczne wartości temperatury i odpowiadające im zjawiska określające stan cieplny. Pierwotnie skale były konstruowane na podstawie charakterystycznych wartości temperatury zmian stanów skupienia i przy założeniu, że rozszerzalność cieczy jest liniowa, później konstrukcje opierano na właściwościach gazów, współcześnie definiuje się temperaturę poprzez odwołanie do fizyki statystycznej.
Pierwsi konstruktorzytermometrów i skal temperatury opierali swe skale na znanych im zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany objętości cieczy (alkoholu,rtęci). W skalach tych, jako punkty odniesienia, przyjmowano wartości temperatury dwóch zjawisk zachodzących w dobrze określonych warunkach. Wskali Celsjusza przyjmuje się, że 0 °C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100 °C, to temperatura wodywrzącej pod normalnym ciśnieniem (choćCelsjusz pierwotnie przyjmował odwrotnie). W tak skonstruowanych skalach mogą występować wartości ujemne.
We wszystkich wzorach do temperatury w skali Celsjusza trzeba zawsze dodawać stałą wartość 273,15 dlatego wprowadzono skalę temperatury, zwaną bezwzględną lub absolutną. Skalę tę określa na podstawie równania stanu gazu doskonałego (równania Clapeyrona): Temperaturę określa się na podstawie pomiaruciśnienia iobjętości gazu uznawanego zaGaz doskonały lubekstrapoluje wyniki dla różnych parametrów gazu rzeczywistego do warunków gazu doskonałego.
W skali bezwzględnej zero zdefiniowane jest jako temperatura gazu idealnego, w której będzie miał on zerową objętość przy dowolnym ciśnieniu. Z punktu widzenia mikroskopowego odpowiada to sytuacji, gdy wszelki ruch cząsteczek gazu ustaje. W rzeczywistości jednak objętości cząsteczek gazu są niezerowe, oznacza to, że rzeczywistym termometrem gazowym nie można mierzyć dowolnie niskiej temperatury.
Temperaturazera bezwzględnego jest najniższą temperaturą jaką mogą uzyskać ciała, w temperaturze tej wszystkie cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię, według mechaniki klasycznej ruch cząsteczek całkowicie ustaje, a wedługmechaniki kwantowej wszystkie cząsteczki znajdują się w stanie podstawowym wykonując tzw.drgania zerowe (ang. zero-point energy). W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała są w stanie stałym, wyjątkiem jesthel, który w pewnym zakresie ciśnienia pozostaje cieczą w dowolnie niskiej temperaturze.
Dla pewnych układów można zdefiniować temperaturę, która według definicji opartej na zmianie entropii będzie ujemna. Układ w takim stanie ma energię większą niż dla dowolnej temperatury dodatniej. Stąd też wciąż temperatura zera bezwzględnego jest najniższą możliwą do uzyskania temperaturą.
Na podstawie stosowanych powszechnie skal temperatury, zdefiniowano nowe, tak by ich zero odpowiadało temperaturze zera bezwzględnego. Jest to odpowiednioskalaKelvina odpowiadająca skali Celsjusza orazskala Rankine’a odpowiadającaskali Fahrenheita.
Kelwin jest główną jednostką temperatury przyjętą wukładzie SI i uznawaną przez cały świat naukowo-techniczny.
Międzynarodowa, ujednolicona skala temperatury jest oparta na wartościach temperatury w punktach charakterystycznych dla kilkuzwiązków chemicznych, np.punkcie potrójnym wody,tlenu, lub punkcie topnieniamiedzi przy ciśnieniu 101325Pa. W wersji obecnej obowiązuje od1990 r. (ITS 90). Poprzednio obowiązywała skala ITS 68.
