En términos cotidianos, la temperatura es una medida de la «calentura» o «frialdad» de una sustancia. Más técnicamente, la temperatura indica la dirección en la que fluye la energía (como calor) cuando dos objetos están en contacto térmico: la energía fluye como calor desde una región de alta temperatura a una región de baja temperatura. En otras palabras, la temperatura es simplemente un indicador de la dirección esperada del flujo de energía como calor.,
La temperatura no es calor. El calor es energía en transición; la temperatura es la señal de la dirección esperada de esa transición. Una gran cantidad de energía puede fluir como calor de una región a otra a pesar de que la diferencia de temperatura entre las regiones es mínima.
la Temperatura no es energía. Un bloque de metal muy grande y frío tendrá una temperatura baja, pero puede contener una gran cantidad de energía. Un pequeño bloque del mismo material con la misma temperatura contendrá menos energía., Esta distinción se expresa diciendo que la temperatura es una propiedad intensiva, una propiedad independiente del tamaño de la muestra; mientras que el contenido de energía es una propiedad extensa, una propiedad que depende del tamaño de la muestra. Por lo tanto, una muestra tomada de un tanque de agua caliente tendrá la misma temperatura independientemente del tamaño de la muestra, pero el contenido de energía (más formalmente, la energía interna) de una muestra grande es mayor que el de una muestra pequeña.,
a nivel molecular, la temperatura de un sistema indica la distribución de» poblaciones » de niveles de energía dentro del sistema: cuanto mayor es la temperatura, mayor es la proporción de moléculas en un estado de alta energía. Si los números de moléculas en dos estados de energía, separados por una diferencia de energía Δ E, son N SUPERIOR Y N inferior, entonces la temperatura es
T = (Δ e / k) ln( N inferior / n Superior) (1)
donde k es la constante de Boltzmann, una constante fundamental de la naturaleza., Vemos que cuanto mayor es la relación N menor / n superior para una diferencia de energía dada, mayor es la temperatura. Esta interpretación molecular tiene un significado especial en los casos en los que la única contribución a la energía global es la energía cinética, que es el caso de un gas perfecto (ideal). En ese caso, la alta temperatura corresponde a una mayor velocidad media de las moléculas y un rango más amplio de velocidades en la muestra., La velocidad media c de las moléculas de masa m a una temperatura T es
c = (8 kT/π m ) ½ (2)
y así la velocidad media aumenta con la raíz cuadrada de la temperatura.
La temperatura se mide con un termómetro, un dispositivo en el que una propiedad física de algún componente del dispositivo cambia cuando el dispositivo se pone en contacto térmico con una muestra. Esa propiedad puede ser el volumen de un líquido (como en un termómetro de mercurio en vidrio) o una propiedad eléctrica como la resistencia., Las sondas electrónicas basadas en cambios de resistencia en un material semiconductor también se utilizan para medir la temperatura.
todavía se encuentran comúnmente tres escalas de temperatura. La escala Fahrenheit se utiliza en los Estados Unidos para fines domésticos. En este
escala, el punto de congelación del agua es 32 ° F y su punto de ebullición es 212°F., Esta escala ha sido descartada por prácticamente todos los demás países en favor de la escala Celsius, que se utiliza para todos los trabajos científicos. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua corresponde a 0 ° C y el punto de ebullición corresponde a 100°C. una escala más fundamental es la escala Kelvin, que establece 0 en el cero absoluto de temperatura (correspondiente a -273.15°C), y adopta una escala en la que el punto triple del agua (la temperatura a la que el hielo, el agua y el vapor de agua coexisten en equilibrio ) es exactamente 273.16 K., Esta escala asegura que la magnitud del kelvin (como se llama a la unidad para la escala Kelvin) es la misma que la del grado Celsius.
la escala Kelvin se utiliza para expresar la temperatura termodinámica, denotada T, con T = 0 como la temperatura más baja posible (cuando todo el movimiento ha cesado). Las temperaturas en las escalas Celsius y Fahrenheit se denotan θ (theta). Dos conversiones importantes son:
θ /ºC = 5 / 9 ( θ /ºF -32) (3)
T / K = θ /ºC + 273.,15 (4)
en química, a menudo es necesario mantener un sistema a una temperatura constante, ya que de lo contrario las observaciones y mediciones proporcionarían una lectura que era un promedio de una propiedad dependiente de la temperatura, como la velocidad de reacción. Una forma de lograr una temperatura constante es sumergir el sistema en un baño de agua que contiene un gran volumen de agua, cuya temperatura es controlada por un calentador y un termostato. Un termostato es un dispositivo para encender y apagar una corriente según si la temperatura del sistema está por encima o por debajo de un valor seleccionado., Incorpora una sonda de temperatura (un termómetro con salida eléctrica) y dispositivos electrónicos para interpretar la temperatura y efectuar la conmutación. El mismo principio es la base del termostato que se utiliza en los hogares.
los efectos químicos de una mayor temperatura incluyen cambios en la velocidad de reacción y la posición del equilibrio químico. Casi todas las reacciones proceden más rápidamente a temperaturas más altas porque las moléculas (en la fase gaseosa ) chocan más vigorosamente a temperaturas más altas., Una consecuencia termodinámica del cambio de temperatura es que la constante de equilibrio de una reacción exotérmica disminuye a medida que se eleva la temperatura, por lo que los reactivos son más favorecidos a bajas temperaturas que a altas. Esta dependencia a veces se conoce como el principio de Le Chatelier, pero es mejor considerarla como una consecuencia de la termodinámica y, en particular, de la segunda ley de la termodinámica.
aunque T = 0 es la temperatura más baja alcanzable, es posible alcanzar temperaturas negativas. Esta observación aparentemente paradójica se resuelve de la siguiente manera., Cuando un sistema tiene solo dos niveles de energía, todas las temperaturas finitas corresponden a una distribución de poblaciones en la que más moléculas ocupan el estado inferior que el superior. Sin embargo, es posible por medios artificiales invertir las poblaciones, de modo que brevemente habría más moléculas en el estado superior que en el inferior. Se deduce de la ecuación 1 Que T es entonces negativo.,
la justificación termodinámica para introducir la temperatura en la ciencia es la Ley cero, que establece que si el sistema a está en equilibrio térmico con el sistema B, y el sistema B está en equilibrio térmico con el sistema C, entonces A y C también estarían en equilibrio térmico entre sí, si se pusieran en contacto. La tercera ley de la termodinámica también es relevante aquí: establece que el cero absoluto (T = 0) no es alcanzable en un número finito de pasos.