Temperatura

La temperatura de un ideal monoatómico gas es una medida relacionada con el promedio de la energía cinética de sus átomos a medida que avanzan. En esta animación, la tamaño de helio átomos en relación con su separación se muestra a escala en virtud de 1950 atmósferas de presión. Estos átomos de temperatura ambiente tienen una velocidad determinada, promedio (ralentizó aquí dos billones de veces).

La temperatura es un físico propiedad de una sistema que subyace a las nociones comunes de caliente y fría; algo que es más caliente generalmente tiene la mayor temperatura. Específicamente, la temperatura es una medida de la energía cinética de una muestra de la materia. La temperatura es uno de los principales parámetros de la termodinámica . En la escala microscópica, la temperatura se define como la energía media de los movimientos microscópicos de una sola partícula en el sistema por grado de libertad. En la escala macroscópica, la temperatura es la propiedad física única que determina la dirección del flujo de calor entre dos objetos colocados en contacto térmico. Si no se produce ningún flujo de calor, los dos objetos tienen la misma temperatura; de lo contrario el calor fluye desde el objeto más caliente al objeto más frío. Estos dos principios básicos se indican en el ley cero y la segunda ley de la termodinámica, respectivamente. Para un sólido, estos movimientos microscópicos son principalmente las vibraciones de sus átomos acerca de sus sitios en el sólido. Por un gas ideal monoatómico, los movimientos microscópicos son los movimientos de traslación de las partículas de gas constituyentes. Para un gas multiatomic, vibracional y movimiento de rotación debe ser incluido también.

La temperatura se mide con termómetros que pueden estar calibrado para una variedad de escalas de temperatura. En casi todo el mundo (a excepción de la de Estados Unidos , Jamaica , y algunos otros países), el grado Celsius escala se utiliza para la mayoría de los propósitos de medición de temperatura. El mundo científico completo (los EE.UU. incluido) mide la temperatura utilizando la escala Celsius y la temperatura termodinámica mediante el kelvin escala, que es sólo la escala Celsius se movió hacia abajo para que 0 K = -273,15 ° C, o cero absoluto . Muchos campos de la ingeniería en los EE.UU., especialmente los de alta tecnología, también utilizan las escalas Celsius y Kelvin grados. Sin embargo, Estados Unidos es el último de los principales países en los que la escala de grados de temperatura Fahrenheit es utilizado por la mayoría laicos, la industria, populares meteorología y el gobierno. Otros campos de la ingeniería en los EE.UU. También necesitan que la Escala Rankine (a escala Fahrenheit desplazado) cuando se trabaja en disciplinas relacionadas con la termodinámica como combustión.

Visión de conjunto

Intuitivamente, la temperatura es una medida de qué tan caliente o frío es, a pesar de la forma más inmediata en la que podemos medir esto, al tocarlo, es poco fiable, lo que resulta en el fenómeno de la sentido temperatura del aire, que puede diferir en diversos grados de temperatura real. En el nivel molecular, la temperatura es el resultado del movimiento de las partículas que componen una sustancia. Los aumentos de temperatura como la energía de este movimiento aumenta. El movimiento puede ser el movimiento de traslación de la partícula, o la energía interna de la partícula debido a la vibración molecular o la excitación de un electrón nivel de energía. Aunque se requiere un equipo muy especializado de laboratorio para detectar directamente los movimientos térmicos de la traducción, colisiones térmicas por átomos o moléculas con pequeñas partículas suspendidas en un fluido produce El movimiento browniano que puede ser visto con un microscopio ordinario. Los movimientos térmicos de los átomos son muy rápidos y temperaturas cercanas al cero absoluto están obligados a observarlos directamente. Por ejemplo, cuando los científicos en el NIST alcanzó una temperatura fría récord de 700 nK (1 nK = 10 ^-9 K) en 1994, utilizaron equipos láser red óptica para adiabáticamente fresco cesio átomos. A continuación, apagados los láseres de atrapamiento y velocidades atómicas medidos directamente de 7 mm por segundo con el fin de calcular su temperatura.

Las moléculas , como _O2, tener más grados de libertad que los átomos individuales: pueden tener movimientos de rotación y vibración, así como el movimiento de traslación. Un aumento en la temperatura hará que la energía media de traslación para aumentar. También hará que la energía asociada con los modos de vibración y rotación para aumentar. Así, una gas diatómico, con grados adicionales de libertad de rotación y vibración, requerirá una mayor aportación de energía para cambiar la temperatura de una cierta cantidad, es decir, tendrá una mayor capacidad de calor de un gas monoatómico.

El proceso de enfriamiento consiste en extraer energía de un sistema. Cuando no hay más energía capaz de ser eliminado, el sistema se dice que es al cero absoluto , que es el punto de la (absoluto) escala de temperatura termodinámica donde todo movimiento cinético en las partículas de materia que comprende cesa y están en reposo completo en el "clásico" (no mecánica cuántica sentido). Por definición, el cero absoluto es la temperatura de precisión 0 grados Kelvin (-273,15 ° C o -459.67 ° F).

Detalles

Las propiedades formales de seguimiento de temperatura a partir de su definición matemática (ver más abajo para la definición ley cero y la segunda definición de la ley) y se estudian en la termodinámica y la mecánica estadística .

Al contrario de otras cantidades termodinámicas como la entropía y calor , cuyas definiciones microscópica válidos incluso lejos de equilibrio termodinámico, la temperatura siendo una energía media por partícula sólo se pueden definir en equilibrio termodinámico, o al menos equilibrio termodinámico local (ver más abajo).

Como sistema recibe calor, su temperatura se eleva; Del mismo modo, una pérdida de calor del sistema tiende a disminuir su temperatura (en el - raro - excepción de temperatura negativo; véase más adelante).

Cuando dos sistemas son a la misma temperatura, no se produce la transferencia de calor entre ellos. Cuando una diferencia de temperatura existe, calor tenderá a moverse desde el sistema -Temperatura superior al sistema -Temperatura inferior, hasta que se encuentran en equilibrio térmico. Esta transferencia de calor puede ocurrir a través de conducción, convección o radiación o combinaciones de ellos (ver el calor para un análisis adicional de los diversos mecanismos de transferencia de calor) y algunos iones pueden variar.

La temperatura también se relaciona con la cantidad de energía interna y la entalpía de un sistema: cuanto mayor es la temperatura de un sistema, mayor es su energía interna y la entalpía.

La temperatura es una propiedad intensiva de un sistema, lo que significa que no depende del tamaño del sistema, la cantidad o el tipo de material en el sistema, el mismo que para la la presión y la densidad . Por el contrario, masa , volumen , y la entropía son extensas propiedades, y dependen de la cantidad de material en el sistema.

El papel de la temperatura en la naturaleza

El agua se congela a 0 ° C. La escarcha se muestra aquí es a -17 ° C.

Un mapa de las temperaturas medias en función de la ubicación.

La temperatura juega un papel importante en casi todos los campos de la ciencia, incluyendo la física, la química y la biología.

Muchas de las propiedades físicas de los materiales, incluyendo la fase ( sólido , líquido , gaseoso o de plasma ), densidad , solubilidad , presión de vapor, y conductividad eléctrica depende de la temperatura. La temperatura también juega un papel importante en la determinación de la velocidad y extensión a la que las reacciones químicas se producen. Esta es una razón por la que el cuerpo humano tiene varios mecanismos elaborados para mantener la temperatura a 37 ° C, ya que las temperaturas sólo unos pocos grados más altos pueden provocar reacciones dañinas con consecuencias graves. La temperatura también controla el tipo y la cantidad de radiación térmica emitida por una superficie. Una aplicación de este efecto es el bombilla de luz incandescente, en la que una de tungsteno del filamento es eléctricamente calienta a una temperatura a la que cantidades significativas de visible de luz se emiten.

Temperatura de la dependencia de la velocidad del sonido en el aire c, densidad de aire y ρ impedancia acústica Z vs. temperatura ° C

Medición de la temperatura

Medición de la temperatura utilizando moderna científica termómetros y escalas de temperatura se remonta al menos hasta el siglo 18, cuando Gabriel Fahrenheit adaptó un termómetro (cambiar a mercurio ) y una escala desarrollada por tanto Ole Christensen Romer. Escala de Fahrenheit está todavía en uso, junto al Celsius escala y el kelvin escala.

Unidades de temperatura

La unidad básica de temperatura (símbolo: T) en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el kelvin (Símbolo: K). El kelvin y Celsius (centígrados) escalas son, por acuerdo internacional, definida por dos puntos: cero absoluto , y la punto de triples Vienna Standard Mean Océano agua (agua especialmente preparada con una mezcla específica de isótopos de hidrógeno y oxígeno). El cero absoluto se define como, precisamente, 0 K y -273,15 ° C. El cero absoluto es donde todos movimiento cinético en las partículas que comprenden materia deja y ellos están en reposo absoluto en el "clásico" (no mecánica cuántica sentido). En el cero absoluto, la materia no contiene energía térmica. Además, el punto triple del agua se define como siendo precisamente 273,16 K y 0,01 ° C. Esta definición hace tres cosas: 1) que fija la magnitud de la unidad kelvin como precisamente 1 parte en 273,16 partes de la diferencia entre el cero absoluto y el punto triple del agua; 2) se establece que uno kelvin tiene precisamente la misma magnitud que un incremento de un grado en la Celsius escala; y 3) que establece la diferencia entre puntos nulos los dos escalas 'por ser precisamente 273,15 grados Kelvin (0 K = -273,15 ° C y 273,16 K = 0,01 ° C). Las fórmulas para la conversión de estas unidades que definen la temperatura a otras escalas se pueden encontrar en Fórmulas de conversión de temperatura.

En el campo de la física del plasma , debido a las altas temperaturas encontradas y la electromagnética naturaleza de los fenómenos implicados, es habitual expresar temperatura en electronvoltios (eV) o kiloelectronvolts (keV), donde 1 eV = 11.604 K. En el estudio de QCD asunto uno se reúne habitualmente temperaturas del orden de unos pocos cientos de MeV, equivalente a alrededor de 10 ¹² K.

Para aplicaciones de uso diario, es muy a menudo conveniente utilizar el Celsius escala, en la que 0 ° C corresponde a la temperatura a la que el agua se congela y 100 ° C corresponde a la del punto de ebullición del agua a nivel del mar. En esta escala una diferencia de temperatura de 1 grado es la misma que una diferencia de temperatura 1 K, por lo que la escala es esencialmente la misma que la escala Kelvin, pero compensada por la temperatura a la que el agua se congela (273,15 K). Así, la siguiente ecuación se puede usar para convertir de grados Celsius a grados Kelvin.

En el Estados Unidos , la Escala Fahrenheit es ampliamente utilizado. En esta escala el punto de congelación del agua corresponde a 32 ° F y el punto de ebullición de 212 ° F. La siguiente fórmula se puede utilizar para convertir de Fahrenheit a Celsius:

Ver fórmulas de conversión de temperatura para las conversiones entre la mayoría de las escalas de temperatura.

Temperaturas negativas

Para algunos sistemas y definiciones específicas de temperatura, es posible obtener una temperatura negativa. Un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto , sino que es, en cierto sentido, más caliente que temperatura infinita.

Comparación de las escalas de temperatura

Fundamentación teórica de la temperatura

Definición Cero-ley de la temperatura

Aunque la mayoría de la gente tiene una comprensión básica del concepto de temperatura, su definición formal es bastante complicado. Antes de saltar a una definición formal, consideremos el concepto de equilibrio térmico. Si dos sistemas con volúmenes fijos se reúnen en contacto térmico, cambios más probable que se llevarán a cabo en las propiedades de ambos sistemas. Estos cambios son causados por la transferencia de calor entre los sistemas. Un estado debe alcanzarse en el que se producen más cambios, para poner los objetos en equilibrio térmico.

Una base para la definición de la temperatura puede obtenerse a partir de la ley cero de la termodinámica que establece que si dos sistemas, A y B, están en equilibrio térmico y un sistema de tercera C está en equilibrio térmico con sistema A continuación, los sistemas B y C también estarán en equilibrio térmico (estar en equilibrio térmico es un relación transitiva; Por otra parte, es una relación de equivalencia ). Este es un hecho empírico, basado en la observación más que teoría. Puesto que A, B, y C están todos en equilibrio térmico, es razonable decir cada uno de estos sistemas comparte un valor común de alguna propiedad. Llamamos a esta temperatura propiedad.

Generalmente, no es conveniente colocar los dos sistemas arbitrarios en contacto térmico para ver si están en equilibrio térmico y por lo tanto tienen la misma temperatura. Además, sólo proporcionaría una escala ordinal.

Por lo tanto, es útil para establecer una escala de temperatura basada en las propiedades de algún sistema de referencia. Entonces, un dispositivo de medición puede ser calibrado en base a las propiedades del sistema de referencia y se utiliza para medir la temperatura de otros sistemas. Uno de tales sistemas de referencia es una cantidad fija de gas. La ley del gas ideal indica que el producto de la presión y el volumen (P · V) de un gas es directamente proporcional a la temperatura:

(1)

donde 'T es la temperatura, n es el número de moles de gas y R es el constante de los gases. Por lo tanto, se puede definir una escala de temperatura basado en la presión y el volumen del gas correspondiente: la temperatura en grados Kelvin es la presión en pascales de un mol de gas en un recipiente de un metro cúbico, dividido por 8,31 ... En la práctica , un termómetro de dicho gas no es muy conveniente, pero otros instrumentos de medición puede ser calibrado a esta escala.

También es interesante notar que la presión, el volumen y el número de moles de una sustancia son todos inherentemente mayor que o igual a cero. Esto sugiere que la temperatura también debe ser mayor que o igual a cero. Como cuestión práctica, no es posible utilizar un termómetro de gas para medir la temperatura del cero absoluto ya que los gases tienden a condensarse en una larga líquido antes de que la temperatura llegue a cero. Es posible extrapolar el número de grados por debajo de la temperatura actual es el cero absoluto de la gama de temperatura en la Ecuación 1 obras.

Temperatura de los gases de

Por un el gas ideal teoría cinética de gases utiliza la mecánica estadística para relacionar la temperatura a la energía cinética media de los átomos en el sistema. Esta energía media es independiente de la masa de partículas, que parece contrario a la intuición para muchas personas. La temperatura se relaciona únicamente con la energía cinética media de las partículas en un gas - cada partícula tiene su propia energía que puede o no puede corresponder a la media; la distribución de energías (y por lo tanto velocidades) de las partículas en cualquier gas vienen dados por la Distribución de Maxwell-Boltzmann. La temperatura de un gas ideal está relacionada con su energía cinética media a través de la ecuación:

, Donde (N = número de moles, R = constante de los gases ideales).

En el caso de un gas monoatómico, la energía cinética es:

(Tenga en cuenta que un cálculo de la energía cinética de un objeto más complicado, tal como una molécula, es ligeramente más complicado. Adicional están disponibles, por lo que la rotación molecular o vibraciones se deben incluir los grados de libertad).

La segunda ley de la termodinámica establece que cualquiera de los dos sistemas dados cuando interactúan entre sí serán más tarde llegar a la misma energía promedio por partícula (y por tanto la misma temperatura). En una mezcla de partículas de diversos medios, las partículas más pesadas se mueven más lentamente que sus homólogos más ligeros, pero todavía tendrán la misma energía promedio. A neón átomo se mueve más lentamente en relación con un hidrógeno molécula de la misma energía cinética; una partícula de polen se mueve en una lenta El movimiento browniano entre las moléculas de agua en movimiento rápido, etc. Una ilustración visual de este de la Universidad Estatal de Oklahoma hace que el punto más claro. Las partículas con masas diferentes tienen diferentes distribuciones de velocidad, pero la energía cinética media es la misma debido a la ley de los gases ideales.

Temperatura de la aspiradora

Es posible utilizar la definición ley cero de temperatura para asignar una temperatura a algo que normalmente no asociamos con temperaturas, como un vacío perfecto. Debido a que todos los objetos emiten la radiación del cuerpo negro, un termómetro en el vacío lejos de térmicamente irradiando fuentes irradiarán fuera su propia energía térmica; disminución de la temperatura de forma indefinida hasta que alcanza el límite de la energía de punto cero. En ese momento se puede decir para estar en equilibrio con el vacío y, por definición, a la misma temperatura. Si pudiéramos encontrar un gas que se comportó muy bien todo el camino hasta el cero absoluto la teoría cinética de los gases nos dice que sería lograr cero energía cinética por partículas, y lograr así la temperatura del cero absoluto. Por lo tanto, por la ley cero de un perfecto, aislado de vacío está en la temperatura del cero absoluto. Tenga en cuenta que con el fin de comportarse muy bien en este contexto, es necesario que los átomos del gas no tienen la energía de punto cero. Resultará no importar que esto no es posible debido a que la segunda definición de la ley de la temperatura producirá el mismo resultado para cualquier estado de vacío único.

Más realista, no existe tal vacío ideal. Por ejemplo, un termómetro en una cámara de vacío que se mantiene a cierta temperatura finita (por ejemplo, cámara está en el laboratorio a temperatura ambiente) se equilibre con la radiación térmica que recibe de la cámara y con el tiempo alcanza la temperatura de la cámara. Si un termómetro que orbita la Tierra se expone a una luz solar , entonces se equilibra a la temperatura a la que la potencia recibida por el termómetro del Sol es exactamente igual a la potencia radiada por la radiación térmica del termómetro. Para un cuerpo negro esta temperatura de equilibrio es de aproximadamente 281 K (8 ° C). Tierra temperatura media (que se mantiene por el equilibrio similar) está cerca de esta temperatura.

Un termómetro aislado de la radiación solar (a la sombra de la Tierra, por ejemplo) todavía está expuesto a la radiación térmica de la Tierra - por lo tanto va a mostrar un poco de temperatura de equilibrio en la que recibe y emite la misma cantidad de energía. Si este termómetro es cerca de la Tierra entonces su temperatura de equilibrio es de 236 K (-37 ° C), siempre que la superficie de la Tierra está a 281 K.

Un termómetro lejos de sistema solar todavía recibe la radiación de fondo de microondas cósmico . Temperatura de equilibrio de tales termómetro es de aproximadamente 2.725 K, que es la temperatura de un gas de fotones que constituye el cuerpo de radiación de microondas de fondo negro en el estado actual de expansión del Universo. Esta temperatura se refiere a veces como la temperatura del espacio.

Definición de segunda ley de la temperatura

En la sección anterior se definió la temperatura en términos de la Ley Cero de la Termodinámica. También es posible definir la temperatura en términos de la segunda ley de la termodinámica , que se ocupa de la entropía . La entropía es una medida del desorden en un sistema. La segunda ley establece que cualquier proceso dará lugar a ningún cambio o un aumento neto en la entropía del universo. Esto se puede entender en términos de probabilidad. Considere la posibilidad de una serie de lanzamientos de moneda. Un sistema perfectamente ordenado sería aquel en el que, o bien cada sorteo sale cara o cada sorteo sale cruz. Esto significa que para un conjunto perfectamente ordenada de lanzamientos de moneda, sólo hay un conjunto de lanzamiento resultados posibles: el conjunto en el que el 100% de los lanzamientos remató por el mismo.

Por otro lado, hay múltiples combinaciones que pueden resultar en sistemas desordenados o mixtos, donde algunos fracción son cabezas y las colas de descanso. Un sistema desordenada puede ser 90% cabezas y colas 10%, o podría ser 40% cabezas y colas 60%, etcétera. Como el número de monedas lanza aumenta, el número de posibles combinaciones correspondientes a ordenó imperfectamente aumentos de sistemas. Para un gran número de lanzamientos de moneda, el número de combinaciones que corresponde a ~ 50% y ~ cabezas 50% colas domina y la obtención de un resultado significativamente diferente de 50/50 se vuelve extremadamente improbable. Así, el sistema avanza de forma natural a un estado de máximo desorden o entropía.

Anteriormente afirmamos que la temperatura controla el flujo de calor entre dos sistemas y acabamos demostrado que el universo, y esperaríamos que cualquier sistema natural, tiende a progresar con el fin de maximizar la entropía. Por lo tanto, podríamos esperar que haya alguna relación entre la temperatura y la entropía. Para encontrar esta relación Primero vamos a considerar la relación entre el calor, el trabajo y la temperatura. La motor de calor es un dispositivo para la conversión de calor en trabajo mecánico y análisis de la Máquina de Carnot ofrece las relaciones necesarias que buscamos. El trabajo de un motor térmico corresponde a la diferencia entre el calor puesto en el sistema a la temperatura elevada, q _H y el calor expulsado a la baja temperatura, q _C. La eficiencia es el trabajo dividido por el calor puesto en el sistema o:

(2)

donde w _cy es el trabajo realizado por ciclo. Vemos que la eficiencia depende sólo de q _C / q _H. Debido q _C y _H q corresponden a la transferencia de calor a las temperaturas T _C y T _H, respectivamente, q _C / _H q debe ser alguna función de estas temperaturas:

(3)

El teorema de Carnot establece que todos los motores reversibles que operan entre los mismos depósitos de calor son igualmente eficientes. Por lo tanto, un motor de calor que opera entre T ₁ y T ₃ debe tener la misma eficiencia como uno que consta de dos ciclos, uno entre T ₁ y T _2, y el segundo entre T ₂ y T _3. Esto sólo puede ser el caso si:

lo que implica:

Dado que la primera función es independiente de T _2, esta temperatura debe cancelar en el lado derecho, es decir, f (T _1, T ₃₎ es de la forma g (T ₁₎ / g (T ₃₎ (es decir, f (T _1, T ₃₎ = f (T _1, T ₂₎ f (T _2, T ₃₎ = g (T ₁₎ / g (T ₂₎ · g (T ₂₎ / g (T ₃₎ = g (T ₁₎ / g (T _3)), donde g es una función de una sola temperatura. Ahora podemos elegir una escala de temperatura con la propiedad de que:

(4)

Sustituyendo la Ecuación 4 de nuevo en la ecuación 2 da una relación para la eficiencia en términos de temperatura:

(5)

Observe que para T _C = 0 K la eficiencia es del 100% y que la eficiencia se hace mayor que 100% por debajo de 0 K. Desde un rendimiento superior al 100% viola la primera ley de la termodinámica, esto implica que 0 K es la temperatura mínima posible. De hecho, la temperatura más baja jamás obtenido en un sistema macroscópico era 20 nK, que se logró en 1995 en el NIST. Restando el lado derecho de la Ecuación 5 de la parte media y reordenando da:

donde el signo negativo indica calor expulsado del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado, S, definido por:

(6)

donde el subíndice indica un proceso reversible. El cambio de esta función de estado alrededor de cualquier ciclo es cero, como es necesario para cualquier función de estado. Esta función corresponde a la entropía del sistema, que hemos descrito anteriormente. Podemos reordenar la ecuación 6 para obtener una nueva definición de la temperatura en función de la entropía y el calor:

(7)

Para un sistema, donde la entropía S puede ser una función S (E) de su energía E, la temperatura T viene dada por:

(8)

es decir. el recíproco de la temperatura es la tasa de aumento de la entropía con respecto a la energía.