În termeni de zi cu zi, temperatura este o măsură a „iuteala” sau „răceala” de o substanță. Mai tehnic, temperatura indică direcția în care energia curge (ca căldură) atunci când două obiecte sunt în contact termic: energia curge ca căldură dintr-o regiune cu temperatură ridicată într-o regiune cu temperatură scăzută. Cu alte cuvinte, temperatura este pur și simplu un indicator al Direcției așteptate de curgere a Energiei ca căldură.,
temperatura nu este căldură. Căldura este energie în tranziție; temperatura este indicatorul Direcției așteptate a acelei tranziții. O cantitate mare de energie poate curge sub formă de căldură dintr-o regiune în alta, chiar dacă diferența de temperatură dintre regiuni este minut.
temperatura nu este energie. Un bloc foarte mare, rece de metal va avea o temperatură scăzută, dar poate conține o cantitate foarte mare de energie. Un bloc mic din același material având aceeași temperatură va conține mai puțină energie., Această distincție este exprimată prin a spune că temperatura este o proprietate intensivă, o proprietate independentă de dimensiunea eșantionului; întrucât conținutul de energie este o proprietate extinsă, o proprietate care depinde de dimensiunea eșantionului. Astfel, o probă prelevată dintr-un rezervor de apă caldă va avea aceeași temperatură indiferent de dimensiunea eșantionului, dar conținutul de energie (mai formal, energia internă) a unui eșantion mare este mai mare decât cel al unui eșantion mic., la nivel molecular, temperatura unui sistem indică distribuția „populațiilor” de niveluri de energie în cadrul sistemului: cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare proporția de molecule într-o stare de energie ridicată. Dacă numărul de molecule din două stări de energie, separate printr-o diferență de energie Δ E, sunt n superior și n inferior , atunci temperatura este
T = (Δ E / k ) Ln( N inferior / n superior ) (1)
unde k este constanta lui Boltzmann, o constantă fundamentală a naturii., Vedem că cu cât este mai mare raportul n inferior / n superior pentru o diferență de energie dată, cu atât temperatura este mai mare. Această interpretare moleculară are o semnificație deosebită în cazurile în care singura contribuție la energia globală este energia cinetică, ceea ce este cazul unui gaz perfect (ideal). În acest caz, temperatura ridicată corespunde unei viteze medii mai mari a moleculelor și unei game mai largi de viteze în eșantion., Viteza medie c a moleculelor de masă m la o temperatură T este
c = (8 kT / π m) ½ (2)
și astfel viteza medie crește cu rădăcina pătrată a temperaturii. temperatura este măsurată cu un termometru, un dispozitiv în care o proprietate fizică a unei componente a dispozitivului se schimbă atunci când dispozitivul este pus în contact termic cu o probă. Această proprietate poate fi volumul unui lichid (ca într-un termometru cu mercur în sticlă) sau o proprietate electrică, cum ar fi rezistența., Sondele electronice bazate pe schimbări de rezistență într-un material semiconductor sunt de asemenea utilizate pentru măsurarea temperaturii.
trei scale de temperatură sunt încă frecvent întâlnite. Scara Fahrenheit este utilizată în Statele Unite în scopuri interne. Pe acest
scara, punctul de îngheț al apei este de 32 ° F, iar punctul de fierbere este de 212°F., Această scală a fost aruncată de aproape toate celelalte țări în favoarea scării Celsius, care este utilizată pentru toate lucrările științifice. Pe scara Celsius, punctul de îngheț al apei corespunde la 0°C și punctul de fierbere corespunde la 100°C. O mai fundamentale scară este scara Kelvin, care stabilește 0 la zero absolut al temperaturii (corespunzător la -273.15°C), și adoptă o scară în care punctul triplu al apei (temperatura la care de gheață, apă și vapori de apă coexistă în echilibru ) este exact 273.16 K., Această scală asigură că magnitudinea kelvin (așa cum se numește unitatea pentru scara Kelvin) este aceeași cu cea a gradului Celsius. scara Kelvin este utilizată pentru a exprima temperatura termodinamică, notată T, cu T = 0 ca cea mai mică temperatură posibilă (când toată mișcarea a încetat). Temperaturile pe scalele Celsius și Fahrenheit sunt notate θ (theta). Două conversii importante sunt:
θ /ºC = 5 /9 ( θ/ºF -32) (3)
T /K = θ / ºC + 273.,15 (4)
În chimie, este adesea necesar pentru a menține un sistem la o temperatură constantă, de altfel, observațiile și măsurătorile ar oferi o lectură care a fost o medie de o temperatură dependentă de proprietate, cum ar fi viteza de reacție. O modalitate de a atinge o temperatură constantă este de a scufunda sistemul într-o baie de apă care conține un volum mare de apă, a cărui temperatură este controlată de un încălzitor și un termostat. Un termostat este un dispozitiv pentru pornirea și oprirea unui curent în funcție de faptul dacă temperatura sistemului este peste sau sub o valoare selectată., Include o sondă de temperatură (un termometru cu ieșire electrică) și dispozitive electronice pentru interpretarea temperaturii și efectuarea comutării. Același principiu este baza termostatului care este utilizat în case. efectele chimice ale temperaturii mai mari includ modificări ale ratei de reacție și poziției echilibrului chimic. Aproape toate reacțiile se desfășoară mai rapid la temperaturi mai ridicate, deoarece moleculele (în faza gazoasă ) se ciocnesc mai puternic la temperaturi mai ridicate., O consecință termodinamică a schimbării temperaturii este aceea că constanta de echilibru a unei reacții exoterme scade odată cu creșterea temperaturii, astfel încât reactanții sunt mai favorizați la temperaturi scăzute decât la temperaturi ridicate. Această dependență este uneori denumită principiul lui Le Chatelier, dar este mai bine să o considerăm ca o consecință a termodinamicii și, în special, a celei de-a doua legi a termodinamicii. deși T = 0 este cea mai scăzută temperatură atinsă, este posibil să se obțină temperaturi negative. Această remarcă aparent paradoxală este rezolvată după cum urmează., Când un sistem are doar două niveluri de energie, toate temperaturile finite corespund unei distribuții a populațiilor în care mai multe molecule ocupă starea inferioară decât cea superioară. Cu toate acestea, este posibil prin mijloace artificiale să inversăm populațiile, astfel încât pe scurt să existe mai multe molecule în starea superioară decât cea inferioară. Din ecuația 1 rezultă că T este apoi negativ., justificarea termodinamică pentru introducerea temperaturii în știință este legea Zeroth, care afirmă că dacă sistemul A este în echilibru termic cu sistemul B, iar sistemul B este în echilibru termic cu sistemul C, atunci A și C ar fi, de asemenea, în echilibru termic unul cu celălalt, dacă ar fi puse în contact. A treia lege a termodinamicii este relevantă și aici: afirmă că zero absolut ( T = 0) nu poate fi atins într-un număr finit de pași.