na co dzień temperatura jest miarą „gorąca” lub „zimna” substancji. Bardziej technicznie, temperatura wskazuje kierunek, w którym przepływa energia (jako ciepło), gdy dwa obiekty są w kontakcie termicznym: energia przepływa jako ciepło z regionu wysokiej temperatury do regionu niskiej temperatury. Innymi słowy, temperatura jest po prostu wskaźnikiem oczekiwanego kierunku przepływu energii jako ciepła.,
Temperatura to nie ciepło. Ciepło jest energią w okresie przejściowym; temperatura jest drogowskazem oczekiwanego kierunku tego przejścia. Duża ilość energii może przepływać jako ciepło z jednego regionu do drugiego, nawet jeśli różnica temperatur między regionami jest niewielka.
Temperatura to nie Energia. Bardzo duży, zimny blok metalu będzie miał niską temperaturę, ale może zawierać bardzo dużą ilość energii. Mały blok tego samego materiału o tej samej temperaturze zawiera mniej energii., Rozróżnienie to wyraża się przez powiedzenie, że temperatura jest intensywna właściwość, właściwość niezależna od wielkości próbki; podczas gdy zawartość energii jest rozległa właściwość, właściwość, która zależy od wielkości próbki. Tak więc próbka pobrana ze zbiornika gorącej wody będzie miała taką samą temperaturę niezależnie od wielkości próbki, ale zawartość energii (bardziej formalnie, energia wewnętrzna) dużej próbki jest większa niż w małej próbce.,
na poziomie molekularnym temperatura układu wskazuje na rozkład „populacji” poziomów energetycznych w układzie: im wyższa temperatura, tym większy udział cząsteczek w stanie wysokiej energii. Jeśli liczba cząsteczek w dwóch stanach energetycznych, oddzielonych różnicą energii Δ E, jest N górną i N dolną, to temperatura wynosi
t = (Δ E / k ) Ln( N dolna / N górna ) (1)
gdzie k jest stałą Boltzmanna, podstawową stałą natury., Widzimy, że im większy stosunek n Dolny / N górny dla danej różnicy energii, tym wyższa temperatura. Ta interpretacja molekularna ma szczególne znaczenie w przypadkach, w których jedynym wkładem w ogólną energię jest energia kinetyczna, co ma miejsce w przypadku gazu doskonałego (idealnego). W takim przypadku wysoka temperatura odpowiada wyższej średniej prędkości cząsteczek i szerszemu zakresowi prędkości w próbce., Średnia prędkość C cząsteczek masy M w temperaturze T wynosi
c = (8 kT/π m ) ½ (2)
i tak średnia prędkość wzrasta wraz z pierwiastkiem kwadratowym temperatury.
temperatura mierzona jest za pomocą termometru, urządzenia, w którym Właściwości fizyczne jakiegoś elementu urządzenia zmieniają się, gdy urządzenie jest umieszczone w kontakcie termicznym z próbką. Właściwością tą może być objętość cieczy (jak w termometrze rtęciowym w szkle) lub właściwość elektryczna, taka jak rezystancja., Do pomiaru temperatury stosuje się również sondy elektroniczne oparte na zmianach rezystancji w materiale półprzewodnikowym.
trzy skale temperatury są nadal powszechnie spotykane. Skala Fahrenheita jest używana w Stanach Zjednoczonych do celów domowych. Na tym
skala, temperatura zamarzania wody wynosi 32°F, a jej temperatura wrzenia wynosi 212°F., Skala ta została odrzucona przez praktycznie wszystkie inne kraje na rzecz skali Celsjusza, która jest używana do wszystkich prac naukowych. W skali Celsjusza temperatura zamarzania wody odpowiada 0°C, a temperatura wrzenia odpowiada 100°C. bardziej podstawową skalą jest skala Kelvina, która ustawia 0 przy absolutnym zerze temperatury (odpowiadającej -273,15°C) i przyjmuje skalę, w której potrójny punkt wody (temperatura, w której lód, woda i para wodna współistnieją w równowadze ) wynosi dokładnie 273,16 K., Skala ta zapewnia, że wielkość Kelvina (jak nazywa się jednostkę skali Kelvina) jest taka sama jak stopnia Celsjusza.
skala Kelvina jest używana do wyrażenia temperatury termodynamicznej, oznaczonej T, Przy T = 0 jako najniższej możliwej temperaturze (gdy cały ruch ustał). Temperatury w skalach Celsjusza i Fahrenheita są oznaczane θ (theta). Dwie ważne konwersje to:
θ / ºC = 5 /9 ( θ/ºF -32) (3)
t /k = θ / ºC + 273.,15 (4)
w chemii często konieczne jest utrzymywanie układu w stałej temperaturze, ponieważ w przeciwnym razie obserwacje i pomiary zapewniłyby odczyt, który był średnią zależną od temperatury właściwością, taką jak szybkość reakcji. Jednym ze sposobów osiągnięcia stałej temperatury jest zanurzenie systemu w łaźni wodnej zawierającej dużą ilość wody, której temperatura jest kontrolowana przez grzałkę i termostat. Termostat jest urządzeniem do włączania i wyłączania prądu w zależności od tego, czy temperatura układu jest powyżej, Czy poniżej wybranej wartości., Zawiera czujnik temperatury (termometr z wyjściem elektrycznym)i elektroniczne urządzenia do interpretacji temperatury i dokonywania przełączania. Ta sama zasada jest podstawą termostatu, który jest stosowany w domach.
efekty chemiczne większej temperatury obejmują zmiany szybkości reakcji i położenia równowagi chemicznej. Prawie wszystkie reakcje przebiegają szybciej w wyższych temperaturach, ponieważ cząsteczki (w fazie gazowej ) zderzają się bardziej energicznie w wyższych temperaturach., Termodynamiczną konsekwencją zmiany temperatury jest to, że stała równowagi reakcji egzotermicznej maleje wraz ze wzrostem temperatury, więc reagenty są bardziej preferowane w niskich temperaturach niż w wysokich. Zależność ta jest czasami określana jako zasada Le Chateliera, jednak lepiej ją traktować jako konsekwencję termodynamiki, a w szczególności drugiego prawa termodynamiki.
chociaż T = 0 jest najniższą osiągalną temperaturą, możliwe jest osiągnięcie ujemnych temperatur. Ta pozornie paradoksalna uwaga jest rozwiązana w następujący sposób., Gdy układ ma tylko dwa poziomy energii, wszystkie skończone temperatury odpowiadają rozkładowi populacji, w którym więcej cząsteczek zajmuje stan niższy niż górny. Możliwe jest jednak sztuczne odwrócenie populacji, tak aby na krótko w stanie górnym było więcej cząsteczek niż w stanie dolnym. Z równania 1 wynika, że T jest wtedy ujemne.,
termodynamicznym uzasadnieniem wprowadzenia temperatury do nauki jest prawo zera, które mówi, że jeśli układ A jest w równowadze termicznej z układem B, a układ B jest w równowadze termicznej z układem C, to A i C również byłyby w równowadze termicznej ze sobą, gdyby miały kontakt. Trzecie prawo termodynamiki jest również istotne tutaj: stwierdza, że zero absolutne (T = 0) nie jest osiągalne w skończonej liczbie kroków.