Im Alltag ist die Temperatur ein Maß für die „Schärfe“ oder „Kälte“ einer Substanz. Technisch gesehen gibt die Temperatur die Richtung an, in der Energie fließt (als Wärme), wenn zwei Objekte in thermischem Kontakt stehen: Energie fließt als Wärme aus einem Hochtemperaturbereich in einen Niedertemperaturbereich. Mit anderen Worten, die Temperatur ist einfach ein Indikator für die erwartete Richtung des Energieflusses als Wärme.,
Temperatur ist nicht Wärme. Wärme ist Energie im Übergang; Temperatur ist der Wegweiser für die erwartete Richtung dieses Übergangs. Eine große Menge Energie kann als Wärme von einer Region in eine andere fließen, obwohl der Temperaturunterschied zwischen den Regionen gering ist.
Temperatur ist nicht Energie. Ein sehr großer, kalter Metallblock hat eine niedrige Temperatur, kann aber eine sehr große Menge an Energie enthalten. Ein kleiner Block des gleichen Materials mit der gleichen Temperatur enthält weniger Energie., Diese Unterscheidung drückt sich darin aus, dass die Temperatur eine intensive Eigenschaft ist, eine Eigenschaft unabhängig von der Größe der Probe; während der Energiegehalt eine umfangreiche Eigenschaft ist, eine Eigenschaft, die von der Größe der Probe abhängt. Somit hat eine Probe, die aus einem Tank mit heißem Wasser entnommen wurde, unabhängig von der Größe der Probe die gleiche Temperatur, aber der Energiegehalt (formell die innere Energie) einer großen Probe ist größer als der einer kleinen Probe.,
Auf molekularer Ebene zeigt die Temperatur eines Systems die Verteilung von „Populationen“ von Energieniveaus innerhalb des Systems an: Je höher die Temperatur, desto größer der Anteil von Molekülen in einem Zustand hoher Energie. Wenn die Anzahl der Moleküle in zwei Energiezuständen, getrennt durch eine Energiedifferenz Δ E, N oben und N unten ist, dann ist die Temperatur
T = (Δ E / k ) ln( N unten / N oben ) (1)
wobei k Boltzmanns Konstante ist, eine fundamentale Konstante der Natur., Wir sehen, dass je größer das Verhältnis N niedriger / N oben für eine gegebene Energiedifferenz ist, desto höher ist die Temperatur. Diese molekulare Interpretation hat eine besondere Bedeutung in Fällen, in denen der einzige Beitrag zur Gesamtenergie kinetische Energie ist, was bei einem perfekten (idealen) Gas der Fall ist. In diesem Fall entspricht eine hohe Temperatur einer höheren Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle und einem breiteren Geschwindigkeitsbereich in der Probe., Die Durchschnittsgeschwindigkeit c von Molekülen der Masse m bei einer Temperatur T beträgt
c = (8 kT / π m) ½ (2)
und so steigt die Durchschnittsgeschwindigkeit mit der Quadratwurzel der Temperatur an.
Die Temperatur wird mit einem Thermometer gemessen, einem Gerät, bei dem sich eine physikalische Eigenschaft einer Komponente des Geräts ändert, wenn das Gerät in thermischen Kontakt mit einer Probe gebracht wird. Diese Eigenschaft kann das Volumen einer Flüssigkeit (wie in einem Quecksilber-in-Glas-Thermometer) oder eine elektrische Eigenschaft wie Widerstand sein., Zur Temperaturmessung werden auch elektronische Sonden verwendet, die auf Widerstandsänderungen in einem Halbleitermaterial basieren.
Drei Temperaturskalen sind immer noch häufig anzutreffen. Die Fahrenheit-Skala wird in den Vereinigten Staaten für häusliche Zwecke verwendet. Auf diesem
skala, der gefrierpunkt von wasser ist 32°F und seine siedepunkt ist 212°F., Diese Skala wurde von praktisch allen anderen Ländern zugunsten der Celsius-Skala verworfen, die für alle wissenschaftlichen Arbeiten verwendet wird. Auf der Celsius-Skala entspricht der Gefrierpunkt von Wasser 0°C und der Siedepunkt entspricht 100°C. Eine grundlegendere Skala ist die Kelvin-Skala, die 0 auf den absoluten Nullpunkt der Temperatur (entsprechend -273,15°C) setzt und eine Skala annimmt, in der der dreifache Punkt von Wasser (die Temperatur, bei der Eis, Wasser und Wasserdampf im Gleichgewicht koexistieren ) genau 273,16 K beträgt., Diese Skala stellt sicher, dass die Größe des Kelvin (wie die Einheit für die Kelvin-Skala genannt wird) der des Celsius-Grades entspricht.
Die Kelvin-Skala wird verwendet, um die mit T bezeichnete thermodynamische Temperatur mit T = 0 als niedrigstmögliche Temperatur auszudrücken (wenn alle Bewegung aufgehört hat). Temperaturen auf der Celsius-und Fahrenheit-Skala werden θ (theta) bezeichnet. Zwei wichtige Konvertierungen sind:
θ / ºC = 5/9 (θ /ºF -32) (3)
T / K = θ /ºC + 273.,15 (4)
In der Chemie ist es oft notwendig, ein System auf einer konstanten Temperatur zu halten, da sonst Beobachtungen und Messungen einen Messwert liefern würden, der ein Durchschnitt einer temperaturabhängigen Eigenschaft wie der Reaktionsgeschwindigkeit ist. Eine Möglichkeit, eine konstante Temperatur zu erreichen, besteht darin, das System in ein Wasserbad einzutauchen, das eine große Wassermenge enthält, deren Temperatur von einer Heizung und einem Thermostat gesteuert wird. Ein Thermostat ist eine Vorrichtung zum Ein-und Ausschalten eines Stroms, je nachdem, ob die Temperatur des Systems über oder unter einem ausgewählten Wert liegt., Es enthält einen Temperaturfühler (ein Thermometer mit elektrischem Ausgang) und elektronische Geräte zur Interpretation der Temperatur und zum Schalten. Das gleiche Prinzip ist die Grundlage des Thermostats, der in Häusern verwendet wird.
Zu den chemischen Effekten einer höheren Temperatur gehören Änderungen der Reaktionsgeschwindigkeit und der Position des chemischen Gleichgewichts. Fast alle Reaktionen verlaufen bei höheren Temperaturen schneller, da die Moleküle (in der Gasphase ) bei höheren Temperaturen stärker kollidieren., Eine thermodynamische Folge der Temperaturänderung ist, dass die Gleichgewichtskonstante einer exothermen Reaktion abnimmt, wenn die Temperatur erhöht wird, so dass Reaktanten bei niedrigen Temperaturen bevorzugter sind als bei hohen. Diese Abhängigkeit wird manchmal als Le Chateliers Prinzip bezeichnet, aber es ist besser, sie als Folge der Thermodynamik und insbesondere des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu betrachten.
Obwohl T = 0 die niedrigste erreichbare Temperatur ist, ist es möglich, negative Temperaturen zu erreichen. Diese scheinbar paradoxe Bemerkung wird wie folgt gelöst., Wenn ein System nur zwei Energieniveaus hat, entsprechen alle endlichen Temperaturen einer Verteilung von Populationen, in denen mehr Moleküle den unteren als den oberen Zustand einnehmen. Es ist jedoch möglich, die Populationen künstlich umzukehren,so dass sich kurzzeitig mehr Moleküle im oberen Zustand befinden als im unteren. Aus Gleichung 1 folgt, dass T dann negativ ist.,
Die thermodynamische Rechtfertigung für die Einführung der Temperatur in die Wissenschaft ist das Nullgesetz, das besagt, dass, wenn System A im thermischen Gleichgewicht mit System B ist und System B im thermischen Gleichgewicht mit System C ist, A und C auch im thermischen Gleichgewicht zueinander wären, wenn sie in Kontakt gebracht würden. Auch hier ist der dritte Hauptsatz der Thermodynamik relevant: Er besagt, dass der absolute Nullpunkt (T = 0) in einer endlichen Anzahl von Schritten nicht erreichbar ist.