Ten artykuł dotyczy wielkości fizycznej oraz skal temperatury. Sprawdź też: inne znaczenia.

Fig. 1 W przedstawionej animacji rozmiar atomów helu przedstawiony jest proporcjonalnie do odległości pomiędzy cząsteczkami jakie są przy ciśnieniu 136 atmosfer. Prędkość ruchu, odpowiadająca temperaturze pokojowej, była spowolniona dwa biliony razy albo odpowiada temperaturze 0,0003 K.

Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu^[1]) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę da się ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu oraz drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ oraz jest miarą tej energii.

Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała posiadają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, kiedy 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.

Temperatura a energia kinetyczna

Złożony ruch cząsteczek gazu

Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy od ruchu cząsteczek, z których złożone jest ciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Ruch bywa związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w gazie), z drganiami atomów, cząsteczek (np. w krysztale), drganiami wewnętrznymi cząsteczki.

Prędkość atomów w ruchu termicznym (w temperaturze zbliżonej do pokojowej) jest duża. W temperaturze bliskiej zera bezwzględnego prędkość ta osiąga minimalne wartości. Dla przykładu w 1994 r. naukowcy z instytutu NIST otrzymali rekordowo mała temperaturę wynoszącą 700 nK (1 nK = 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 oraz więcej atomów, takie jak np. O₂, posiadają więcej stopni swobody ruchu niż pojedyncze atomy. nieoczekiwanie ruchu postępowego potrafią także obracać się albo wykonywać drgania wewnętrzne (zmiana odległości pomiędzy atomami w cząsteczce). Wzrost temperatury powoduje wzrost średniej energii kinetycznej każdego z rodzajów ruchu. Dlatego dwuatomowy gaz o cząsteczkach mających pięć stopni swobody wymagać będzie większego wkładu energii dla zmiany temperatury, co oznacza, że będzie miał większe ciepło właściwe niż gaz jednoatomowy, którego cząsteczki posiadają tylko trzy stopnie swobody.

Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii przez układ. Przy najniższej energii układ osiąga tzw. temperaturę zera bezwzględnego na termodynamicznej skali temperatury. W tej temperaturze cząsteczki posiadają najmniejszą możliwą energię kinetyczną. Wedle mechaniki klasycznej energia ta osiąga wartość zero (cząsteczki pozostają w spoczynku). Zgodnie z mechaniką kwantową najniższa energia jest zwykle większa od 0 (cząsteczki wykonują tzw. drgania zerowe). Temperatura zera absolutnego wynosi 0 kelwinów (−273,15 °C albo –459,67 °F).

Temperatura w kinetycznej teorii gazów

Temperatura bezwzględna T układu złożonego z atomów jak oraz kilkuatomowych cząsteczek jest w teorii kinetycznej gazów określona jako średnia energia kinetyczna <E> ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względem środka masy układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu:

gdzie: f – liczba stopni swobody cząstki, współczynnik proporcjonalności pomiędzy jednostkami temperatury oraz energii nazywany stałą Boltzmanna, jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38·10⁻²³ J/K.

Temperatura a równowaga termodynamiczna

Właściwości temperatury są przedmiotem analizy termodynamiki oraz mechaniki statystycznej. Temperatura układu w stanie równowagi termodynamicznej jest zdefiniowana przez zależność pomiędzy różniczką ciepła wprowadzanego do systemu w czasie nieskończenie wolnej kwazistatycznej przemiany termodynamicznej, a różniczką jej entropii podczas tej przemiany.

W przeciwieństwie od entropii oraz ciepła, których mikroskopowe definicje obowiązują także w stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura bywa zdefiniowana tylko w stanie równowagi albo lokalnej równowagi termodynamicznej.

Skale temperatury

Termodynamiczna definicja temperatury dopuszcza porównywać jej wartości, ale nie wyznacza jej skali. Dla przykładu nie wyznacza – kiedy temperatura jednego ciała jest dwa razy wyższa od temperatury drugiego. Dlatego fizycy konstruują skale temperatury. Skala temperatury zawiera charakterystyczne wartości temperatury oraz odpowiadające im zjawiska określające stan cieplny. Pierwotnie skale były konstruowane w oparciu o charakterystyczne wartości temperatury zmian stanów skupienia oraz przy założeniu, że rozszerzalność cieczy jest liniowa, później konstrukcje opierano na właściwościach gazów, współcześnie definiuje się temperaturę poprzez odwołanie do fizyki statystycznej.

Skale historyczne

Pierwsi konstruktorzy termometrów oraz skal temperatury opierali swe skale na znanych im zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że przeistoczenie 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. W skali Celsjusza przyjmuje się, że 0 °C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100 °C, to temperatura wody wrzącej pod normalnym ciśnieniem (choć Celsjusz pierwotnie przyjmował odwrotnie). W tak skonstruowanych skalach potrafią występować wartości ujemne temperatury.

Termodynamiczna skala temperatury

Fizycy badając własności gazów zauważyli^{potrzebne źródło}, że we wszystkich wzorach do temperatury w skali Celsjusza trzeba stale dodawać stałą wartość 273,15 dlatego wprowadzono skalę temperatury, zwaną bezwzględną albo absolutną. Skalę tę wyznacza na podstawie równania stanu gazu idealnego (równania Clapeyrona): pV = nRT. Temperaturę wyznacza się na podstawie pomiaru ciśnienia oraz objętości gazu idealnego.

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, kiedy wszelki ruch cząsteczek gazu ustaje. W rzeczywistości jednak objętości cząsteczek gazu są niezerowe, oznacza to, że rzeczywistym termometrem gazowym nie da się mierzyć dowolnie niskiej temperatury.

Temperatura zera bezwzględnego jest najniższą temperaturą jaką potrafią uzyskać ciała, w temperaturze tej wszystkie cząsteczki posiadają najmniejszą możliwą energię, wedle mechaniki klasycznej ruch cząsteczek całkowicie ustaje, a wedle mechaniki kwantowej wszystkie cząsteczki leżą w stanie podstawowym wykonując tzw. drgania zerowe (ang. zero-point energy). W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała są w stanie stałym, wyjątkiem jest hel, który w pewnym zakresie ciśnienia pozostaje cieczą w dowolnie niskiej temperaturze.

Dla pewnych układów da się zdefiniować temperaturę, która wedle definicji opartej o zmianę 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 odpowiednio skala Kelvina odpowiadająca skali Celsjusza oraz skala Rankine'a odpowiadająca skali Fahrenheita.

Kelwin jest główną jednostką temperatury przyjętą w układzie SI oraz uznawaną przez cały świat naukowo-techniczny.

Międzynarodowa Skala Temperatury (MST-90)

Międzynarodowa, ujednolicona skala temperatury jest oparta na wartościach temperatury w punktach charakterystycznych dla kilku związków chemicznych, np. punkcie potrójnym wody, tlenu, albo punkcie topnienia miedzi przy ciśnieniu 101325 Pa. W wersji obecnej obowiązuje od 1990 r. (ITS 90). Poprzednio obowiązywała skala ITS 68.

Jednostki temperatury

Najczęściej używaną w Polsce oraz wielu innych krajach jednostką temperatury są stopnie Celsjusza.

Wzór do przeliczania temperatury w stopniach Celsjusza na temperaturę w kelwinach jest następujący:

gdzie t jest w °C.

W USA w dalszym ciągu używa się stopni Fahrenheita. W tej skali temperatura zamarzania wody jest równa 32 °F a wrzenia 212 °F.

Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach Celsjusza:

Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Fahrenheita:

Inne skale: barwa żaru, barwa nalotowa stali.

Przypisy

Sprawdź też

Sprawdź hasło temperatura w Wikisłowniku

• pomiar temperatury
• instrumentalne pomiary temperatury
• rekordy temperatury
• temperatura odczuwalna