In termini quotidiani, la temperatura è una misura del “calore” o “freddezza” di una sostanza. Più tecnicamente, la temperatura indica la direzione in cui l’energia scorre (come calore) quando due oggetti sono in contatto termico: l’energia scorre come calore da una regione ad alta temperatura a una regione a bassa temperatura. In altre parole, la temperatura è semplicemente un indicatore della direzione prevista del flusso di energia come calore.,
La temperatura non è calore. Il calore è energia in transizione; la temperatura è il segno della direzione prevista di quella transizione. Una grande quantità di energia può fluire come calore da una regione all’altra anche se la differenza di temperatura tra le regioni è minima.
La temperatura non è energia. Un blocco di metallo molto grande e freddo avrà una bassa temperatura ma potrebbe contenere una quantità molto grande di energia. Un piccolo blocco dello stesso materiale con la stessa temperatura conterrà meno energia., Questa distinzione è espressa dicendo che la temperatura è una proprietà intensiva, una proprietà indipendente dalla dimensione del campione; mentre il contenuto energetico è una proprietà estesa, una proprietà che dipende dalla dimensione del campione. Pertanto, un campione prelevato da un serbatoio di acqua calda avrà la stessa temperatura indipendentemente dalle dimensioni del campione, ma il contenuto energetico (più formalmente, l’energia interna) di un campione grande è maggiore di quello di un piccolo campione.,
A livello molecolare, la temperatura di un sistema indica la distribuzione di “popolazioni” di livelli energetici all’interno del sistema: maggiore è la temperatura, maggiore è la proporzione di molecole in uno stato di alta energia. Se i numeri di molecole in due stati energetici, separati da una differenza di energia Δ E, sono N superiore e N inferiore, allora la temperatura è
T = (Δ E / k ) ln (N inferiore / N superiore) (1)
dove k è la costante di Boltzmann, una costante fondamentale della natura., Vediamo che maggiore è il rapporto N inferiore / N superiore per una data differenza di energia, maggiore è la temperatura. Questa interpretazione molecolare ha un significato speciale nei casi in cui l’unico contributo all’energia complessiva è l’energia cinetica, che è il caso in un gas perfetto (ideale). In tal caso, ad alta temperatura corrisponde una maggiore velocità media delle molecole e una gamma più ampia di velocità nel campione., La velocità media c delle molecole di massa m ad una temperatura T è
c = (8 kT / π m) ½ (2)
e quindi la velocità media aumenta con la radice quadrata della temperatura.
La temperatura viene misurata con un termometro, un dispositivo in cui una proprietà fisica di alcuni componenti del dispositivo cambia quando il dispositivo viene messo in contatto termico con un campione. Tale proprietà può essere il volume di un liquido (come in un termometro a mercurio in vetro) o una proprietà elettrica come la resistenza., Per misurare la temperatura vengono utilizzate anche sonde elettroniche basate su variazioni di resistenza in un materiale semiconduttore.
Si incontrano ancora tre scale di temperatura. La scala Fahrenheit è utilizzata negli Stati Uniti per scopi domestici. Su questo
scala, il punto di congelamento dell’acqua è 32°F e il suo punto di ebollizione è 212°F., Questa scala è stata scartata praticamente da tutti gli altri paesi a favore della scala Celsius, che viene utilizzata per tutto il lavoro scientifico. Sulla scala Celsius, il punto di congelamento dell’acqua corrisponde a 0°C e punto di ebollizione corrisponde a 100°C. Una più fondamentale scala è la scala Kelvin, che stabilisce 0 allo zero assoluto di temperatura (corrispondente a -273.15°C), e adotta una scala in cui il punto triplo dell’acqua (la temperatura a cui ghiaccio, acqua, acqua e vapore coesistono in equilibrio ) è esattamente 273.16 K., Questa scala assicura che la grandezza del kelvin (come viene chiamata l’unità per la scala Kelvin) sia uguale a quella del grado Celsius.
La scala Kelvin viene utilizzata per esprimere la temperatura termodinamica, indicata con T, con T = 0 come temperatura più bassa possibile (quando tutto il movimento è cessato). Le temperature sulle scale Celsius e Fahrenheit sono indicate θ (theta). Due conversioni importanti sono:
θ /ºC = 5 / 9 ( θ /ºF -32) (3)
T / K = θ /ºC + 273.,15 (4)
In chimica, è spesso necessario mantenere un sistema a temperatura costante, altrimenti le osservazioni e le misurazioni fornirebbero una lettura che era una media di una proprietà dipendente dalla temperatura, come la velocità di reazione. Un modo per ottenere una temperatura costante è immergere il sistema in un bagno d’acqua contenente un grande volume d’acqua, la cui temperatura è controllata da un riscaldatore e un termostato. Un termostato è un dispositivo per accendere e spegnere una corrente a seconda che la temperatura del sistema sia superiore o inferiore a un valore selezionato., Incorpora una sonda di temperatura (un termometro con uscita elettrica) e dispositivi elettronici per interpretare la temperatura e effettuare la commutazione. Lo stesso principio è la base del termostato che viene utilizzato nelle case.
Gli effetti chimici di una maggiore temperatura includono cambiamenti nella velocità di reazione e nella posizione dell’equilibrio chimico. Quasi tutte le reazioni procedono più rapidamente a temperature più elevate perché le molecole (in fase gassosa ) si scontrano più vigorosamente a temperature più elevate., Una conseguenza termodinamica della variazione della temperatura è che la costante di equilibrio di una reazione esotermica diminuisce all’aumentare della temperatura, quindi i reagenti sono più favoriti alle basse temperature che alle alte. Questa dipendenza è talvolta indicata come principio di Le Chatelier, ma è meglio considerarla come una conseguenza della termodinamica e in particolare della seconda legge della termodinamica.
Sebbene T = 0 sia la temperatura più bassa raggiungibile, è possibile ottenere temperature negative. Questa osservazione apparentemente paradossale è risolta come segue., Quando un sistema ha solo due livelli di energia, tutte le temperature finite corrispondono a una distribuzione di popolazioni in cui più molecole occupano lo stato inferiore rispetto a quello superiore. Tuttavia, è possibile con mezzi artificiali invertire le popolazioni, in modo che brevemente ci siano più molecole nello stato superiore rispetto a quello inferiore. Segue dall’equazione 1 che T è quindi negativo.,
La giustificazione termodinamica per introdurre la temperatura nella scienza è la Legge di Zeroth, che afferma che se il sistema A è in equilibrio termico con il sistema B e il sistema B è in equilibrio termico con il sistema C, allora A e C sarebbero anche in equilibrio termico l’uno con l’altro, se fossero messi in contatto. La terza legge della termodinamica è anche rilevante qui: afferma che lo zero assoluto (T = 0) non è raggiungibile in un numero finito di passaggi.