in alledaagse termen is temperatuur Een maat voor de “warmheid” of “koudheid” van een stof. Meer technisch, temperatuur geeft de richting aan waarin energie stroomt (als warmte) wanneer twee objecten in thermisch contact zijn: energie stroomt als warmte van een hoge temperatuur regio naar een lage temperatuur regio. Met andere woorden, temperatuur is gewoon een indicator van de verwachte richting van de stroom van energie als warmte.,
temperatuur is geen warmte. Warmte is energie in overgang; temperatuur is de wegwijzer van de verwachte richting van die overgang. Een grote hoeveelheid energie kan als warmte van de ene regio naar de andere stromen, hoewel het temperatuurverschil tussen de regio ‘ s miniem is.
temperatuur is geen energie. Een zeer groot, koud blok metaal zal een lage temperatuur hebben, maar kan een zeer grote hoeveelheid energie bevatten. Een klein blok van hetzelfde materiaal met dezelfde temperatuur zal minder energie bevatten., Dit onderscheid wordt uitgedrukt door te zeggen dat temperatuur een intensieve eigenschap is, een eigenschap die onafhankelijk is van de grootte van het monster; terwijl energie-inhoud een uitgebreide eigenschap is, een eigenschap die wel afhangt van de grootte van het monster. Zo zal een monster uit een tank met warm water dezelfde temperatuur hebben, ongeacht de grootte van het monster, maar de energie-inhoud (formeler, de interne energie) van een groot monster is groter dan die van een klein monster.,
op moleculair niveau geeft de temperatuur van een systeem de verdeling van “populaties” van energieniveaus binnen het systeem aan: hoe hoger de temperatuur, hoe groter het aandeel moleculen in een toestand van hoge energie. Als de aantallen moleculen in twee energietoestanden, gescheiden door een energieverschil Δ E, N boven en n onder zijn , dan is de temperatuur
T = (Δ E / k ) ln( N onder / n boven ) (1)
waarbij k de constante van Boltzmann is, een fundamentele natuurconstante., We zien dat hoe groter de verhouding N onder / n boven voor een gegeven energieverschil, hoe hoger de temperatuur. Deze moleculaire interpretatie heeft een bijzondere betekenis in gevallen waarin de enige bijdrage aan de totale energie kinetische energie is, wat het geval is in een perfect (ideaal) gas. In dat geval, komt de hoge temperatuur aan een hogere gemiddelde snelheid van de molecules en een bredere waaier van snelheden in de steekproef overeen., De gemiddelde snelheid c van moleculen met massa m bij een temperatuur T is
c =(8 kT / π m) ½ (2)
en dus neemt de gemiddelde snelheid toe met de vierkantswortel van de temperatuur.
temperatuur wordt gemeten met een thermometer, een apparaat waarbij een fysische eigenschap van een deel van het apparaat verandert wanneer het apparaat in thermisch contact wordt gebracht met een monster. Die eigenschap kan het volume van een vloeistof zijn (zoals in een kwik-in-glas thermometer) of een elektrische eigenschap zoals weerstand., Elektronische sondes op basis van weerstandsveranderingen in een halfgeleidermateriaal worden ook gebruikt om de temperatuur te meten.
drie temperatuurschalen worden nog steeds vaak aangetroffen. De Fahrenheit schaal wordt gebruikt in de Verenigde Staten voor binnenlandse doeleinden. Op deze
schaal, het vriespunt van water is 32 ° F en het kookpunt is 212 ° F., Deze schaal is door vrijwel alle andere landen afgedankt ten gunste van de Celsius schaal, die voor al het wetenschappelijk werk wordt gebruikt. Op de schaal van Celsius komt het vriespunt van water overeen met 0°C en het kookpunt met 100°C. Een meer fundamentele schaal is de schaal van Kelvin, die 0 stelt op het absolute nulpunt van de temperatuur (overeenkomend met -273,15°C), en een schaal aanneemt waarin het drievoudige punt van water (de temperatuur waarbij ijs, water en waterdamp naast elkaar bestaan bij evenwicht) precies 273,16 K., Deze schaal zorgt ervoor dat de grootte van de kelvin (zoals de eenheid voor de Kelvin schaal wordt genoemd) gelijk is aan die van de Celsius graad.
De Kelvin-schaal wordt gebruikt om de thermodynamische temperatuur, aangeduid met T, uit te drukken met T = 0 als de laagst mogelijke temperatuur (wanneer alle beweging is gestopt). Temperaturen op de schaal van Celsius en Fahrenheit worden aangeduid als θ (theta). Twee belangrijke omzettingen zijn:
θ / ºC = 5 / 9 (θ /ºF -32) (3)
T / K = θ /ºC + 273.,(4)
in de scheikunde is het vaak noodzakelijk om een systeem op een constante temperatuur te houden, omdat waarnemingen en metingen anders een aflezing zouden opleveren die een gemiddelde was van een temperatuurafhankelijke eigenschap, zoals de reactiesnelheid. Een manier om een constante temperatuur te bereiken is om het systeem onder te dompelen in een waterbad met een grote hoeveelheid water, waarvan de temperatuur wordt geregeld door een verwarming en een thermostaat. Een thermostaat is een apparaat voor het in-en uitschakelen van een stroom afhankelijk van de vraag of de temperatuur van het systeem boven of onder een geselecteerde waarde., Het bevat een temperatuursonde (een thermometer met een elektrische uitgang) en elektronische apparaten voor het interpreteren van de temperatuur en het uitvoeren van de schakeling. Hetzelfde principe is de basis van de thermostaat die wordt gebruikt in woningen.
de chemische effecten van een hogere temperatuur omvatten veranderingen in de reactiesnelheid en de positie van het chemisch evenwicht. Bijna alle reacties gaan sneller bij hogere temperaturen omdat de moleculen (in de gasfase ) krachtiger botsen bij hogere temperaturen., Een thermodynamisch gevolg van temperatuursverandering is dat de evenwichtsconstante van een exotherme reactie afneemt naarmate de temperatuur stijgt, zodat reactanten meer worden begunstigd bij lage temperaturen dan bij hoge temperaturen. Deze afhankelijkheid wordt soms aangeduid als Le Chatelier ‘ s Principe, maar het is beter om het te beschouwen als een gevolg van de thermodynamica en in het bijzonder van de tweede wet van de thermodynamica.
hoewel T = 0 de laagst haalbare temperatuur is, is het mogelijk negatieve temperaturen te bereiken. Deze schijnbaar paradoxale opmerking wordt als volgt opgelost., Wanneer een systeem slechts twee energieniveaus heeft, komen alle eindige temperaturen overeen met een verdeling van populaties waarin meer moleculen de lagere staat bezetten dan de bovenste. Nochtans, is het mogelijk door kunstmatige middelen om de bevolking om te keren, zodat kort zouden er meer molecules in de hogere staat dan de lagere zijn. Uit vergelijking 1 volgt dat T dan negatief is.,
de thermodynamische rechtvaardiging voor het invoeren van de temperatuur in de wetenschap is de nulde wet, die stelt dat als systeem A in thermisch evenwicht is met systeem B, en systeem B in thermisch evenwicht is met systeem C, dan zouden A en C ook in thermisch evenwicht met elkaar zijn, als ze in contact zouden komen. De derde wet van de thermodynamica is hier ook relevant: zij stelt dat absoluut NUL (T = 0) niet haalbaar is in een eindig aantal stappen.