Menú Principal:
Orígens
Sensació
térmica = Temperatura comfort = Wind Chill
Temperatura
La temperatura d'un gas ideal monoatómic és una
mesura relacionada amb l'energia cinética
mitjana dels seus àtoms al moure's. En aquesta animació, la relació entre la grandària
dels àtoms d'heli respecte a la seva separació s'aconseguiria sota una pressió
de 1950 atmòsferes de
pressió. Aquests àtoms a temperatura ambiental tenen una certa velocitat mitja
(aquí reduïda dos bilions de
vegades).
La temperatura és una magnitud referida a les nocions comunes de calor o fred, pel general un
objecte més "calent" tindrà una temperatura major. Físicament
és una magnitud escalar
donada per una funció
creixent del grau d'agitació de les partícules dels materials. A major
agitació, major temperatura. Així, en l'escala microscópica, la temperatura es
defineix com la mitjana de l'energia dels moviments d'una partícula
individual per grau de llibertat.
En el cas d'un sòlid, els moviments en qüestió resulten ser les vibracions de
les partícules en els seus llocs dintre del sòlid. En el cas d'un gas ideal monoatómico es
tracta dels moviments traslacionales de les seves partícules (per als gasos
multiatómicos els moviments rotacional i vibracional han de prendre's en compte
també).
Multitud de propietats fisicoquímiques
dels materials o les substàncies varien en funció de la temperatura a la qual
es trobin, com per exemple el seu estat (gasós, líquid, sòlid, plasma...),
el seu volum, la solubilidad, la
pressió de vapor o
la conductividad elèctrica.
Així mateix és un dels factors que influeixen en la velocitat a la qual tenen
lloc les reaccions químiques.
La temperatura es mesura amb termòmetres,
els quals poden ser calibrats d'acord a una multitud d'escales que donen lloc a
les unitats de mesurament de la temperatura. En el Sistema Internacional d'Unitats, la
unitat de temperatura és el kelvin. No obstant això, fora de
l'àmbit científic l'ús d'altres escales de temperatura és comuna l'ús de
l'escala Celsius (o
centígrada), i, en els països anglosaxons,
l'escala Fahrenheit.
També existeix l'escala Rankine (°R)
que estableix el seu punt de referència en el mateix punt de l'escala Kelvin, és
l'escala utilitzada en el Sistema Anglès Absolut. Una diferència de temperatura
d'un kelvin equival a una diferència d'un grau centígrad.
Un termòmetre ha
d'aconseguir l'equilibri tèrmic abans que el seu mesurament sigui correcta.
La temperatura és una propietat física que es refereix a les
nocions comunes de fred o calor, no obstant això el seu significat formal en
termodinámica és més complex, sovint la calor o el fred percebut per les
persones té més que veure amb la sensació tèrmica
(veure més a baix), que amb la temperatura real. Fonamentalment, la temperatura
és una propietat que posseeixen els sistemes físics a nivell macroscópico, la qual
té una causa a nivell microscópico, que és l'energia promedio per partícula.
Al contrari d'altres quantitats termodinámicas com la calor o
l'entropía, les definicions de la qual microscópicas són vàlides molt lluny de
l'equilibri tèrmic, la
temperatura només pot ser mesurada en l'equilibri, precisament perquè es
defineix com un promedio.
A mesura que un sistema rep calor, la seva temperatura
s'incrementa, i igualment, a mesura que perd calor, la seva temperatura
disminueix. Quan no existeix diferència de temperatura entre dos sistemes, no
hi haurà transferència de calor entre ells. I quan existeixi una diferència de
temperatures, la calor tendirà a moure's del sistema amb major
temperatura al sistema amb menor temperatura, fins que s'aconsegueixi
l'equilibri tèrmic. Aquesta transferència de calor pot donar-se a través de la conducció, convección o
de la radiació o a
través de combinacions d'elles.
La temperatura està relacionada amb l'energia interna i
amb l'entalpía d'un sistema: a major temperatura majors seran l'energia interna
i l'entalpía del sistema.
La temperatura és una propietat intensiva, és
a dir que no depèn de la grandària del sistema, sinó que és una propietat que
li és inherent, ni en la quantitat de material d'aquest.
Abans
de donar una definició formal de temperatura, és necessari entendre el concepte
d'equilibri tèrmic. Si dues parts
d'un sistema entren en contacte tèrmic és probable que ocorrin canvis en les
propietats d'ambdues. Aquests canvis s'han de la transferència de calor entre
les parts. Perquè un sistema estigui en equilibri tèrmic ha d'arribar al punt
en què ja no hi ha intercanvi de calor entre les seves parts, a més cap de les
propietats que depenen de la temperatura ha de variar.
Una
definició de temperatura es pot obtenir de la Llei
zero de la termodinámica, que estableix que si dos sistemes A i
B estan en equilibri tèrmic al mateix temps amb un tercer sistema C llavors els
sistemes A i C estaran en equilibri tèrmic. Aquest és un fet empíric més que un
resultat teòric. Ja que tant els sistemes A, B, i C estan tots en equilibri
tèrmic, és raonable dir que comparteixen un valor comú d'alguna propietat
física. Cridem a aquesta propietat temperatura.
Segona llei de
la Termodinámica
També
és possible definir la temperatura en termes de la segona
llei de la termodinámica, que tracta amb la qual diu que
l'entropía de tots els sistemes, o bé roman igual o bé augmenta amb el temps,
això s'aplica a l'Univers sencer com sistema termodinámico. L'entropía és una
mesura del desordre que hi ha en un sistema. Aquest concepte pot ser entès en
termes estadístics, consideri una sèrie de tirs de monedes. Un sistema
perfectament ordenat per a la sèrie, seria aquell en què sol cau cara o sol cau
creu. No obstant això, existeixen múltiples combinacions per les quals el
resultat és un desordre en el sistema, és a dir que hi hagi una fracció de
cares i una altra de creus. Un sistema desordenat podria ser aquell en el qual
hi ha 90% de cares i 10% de creus, o 60% de cares i 40% de creus. No obstant
això és clar que a mesura que es fan més tirs, el nombre de combinacions
possibles per les quals el sistema es desordena és major; en altres paraules el
sistema evoluciona naturalment cap a un estat de desordre màxim és a dir 50%
cares 50% creus de tal manera que qualsevol variació fora d'aquest estat és
altament improbable.
Per
a donar la definició de temperatura sobre la base de la segona llei, caldrà
introduir el concepte de màquina
tèrmica
la qual és qualsevol dispositiu capaç de transformar calor en treball
mecànic.
En particular interessa conèixer el plantejament teòric de la màquina
de Carnot,
que és una màquina tèrmica de construcció teòrica, que estableix els límits
teòrics per a l'eficiència de qualsevol màquina tèrmica real.
Aquí
es mostra la màquina tèrmica descrita per Carnot, la calor entra al sistema a
través d'una temperatura inicial (aquí es mostra comTH) i
flueix a través del mateix obligant al sistema a exercir un treball sobre els
seus voltants, i després passa al mitjà fred, el qual té una temperatura final
(TC).
Temperatura
en distints mitjans
Per
a un gas
ideal,
la teoria
cinética
de gasos utilitza mecànica
estadística
per a relacionar la temperatura amb el promedio de l'energia total dels àtoms
en el sistema. Aquest promedio de l'energia és independent de la massa de les
partícules, la qual cosa podria semblar contraintuitivo per a molts. El
promedio de l'energia està relacionat excusivamente amb la temperatura del
sistema, no obstant això, cada partícula té la seva pròpia energia la qual
pugues o no correspondre amb el promedio; la distribució de l'energia, (i per
tant de les velocitats de les partícules) està donada per la distribució
de Maxwell-Boltzmann.
El
càlcul de l'energia cinética d'objectes més complicats com les molècules, és
més difícil. S'involucren graus de
llibertat
addicionals els quals han de ser considerats. La segona llei de la
termodinámica estableix no obstant això, que dos sistemes a l'interactuar l'u
amb l'altre adquiriran la mateixa energia promedio per partícula, i per tant la
mateixa temperatura.
En
una barreja de partícules de diverses masses distintes, les partícules més
massives es mouran més lentament que les altres, però encara així tindran la
mateixa energia promedio. Un àtom de Neón es mou
relativament més lent que una molècula d'hidrógeno que tingui la mateixa
energia cinética. Una manera análoga d'entendre això és notar que per exemple,
les partícules de pols suspeses en un fluix d'aigua es mouen més lentament que
les partícules d'aigua. Per a veure una il·lustració visual d'aquest fet vegi aquest
enllaci.
La llei que regula la diferència en les distribucions de velocitat de les
partícules pel que fa a la seva massa és la llei
dels gasos ideals.
En
el cas particular de l'atmosfera , els meteorólogos han definit les
temperatures virtual i potencial, per a
facilitar alguns càlculs.
Les
escales de mesurament de la temperatura es divideixen fonamentalment en dos
tipus, les absolutes i relatives. Ja que els valors que pot adoptar la
temperatura dels sistemes, encara que no tenen un màxim, sí tenen un nivell mínim,
el zero
absolut.[1] Mentre que les
escales absolutes es basen en el zero absolut, les relatives tenen altres
formes de definir-se.
Sistema
Internacional d'Unitats (SI)
Aclaració:
No se li antepone la paraula grau ni el símbol º.