Temperatura este o mărime fizică a unui sistem care exprimă cantitativ proprietatea de mai cald sau mai rece a sistemului respectiv. Astfel, materialul cu o temperatură mai ridicată este mai cald, iar cel cu o temperatură joasă mai rece. Temperatura este un parametru care caracterizează viteza cu care se mișcă atomii ce alcătuiesc o substanță. În cazul încălzirii unui corp viteza poate crește până la o anumită limită. Oamenii de știință[care?] afirmă că la o temperatură extrem de scăzută, numită zero absolut, atomii sau moleculele și-ar înceta mișcarea complet, dar atingerea acestei valori nu este posibilă prin mijloace termodinamice.

Formal, temperatura este acea proprietate care reglementează transferul de energie termică, sau căldură, între un sistem și altul[1]. Când două sisteme sunt la aceeași temperatură, acestea sunt în echilibru termic și niciun transfer de căldură nu se va produce. Când există o diferență de temperatură, căldura va tinde să treacă de la sistemul cu temperatură mai ridicată la sistemul cu temperatură mai joasă, până când echilibrul termic este din nou stabilit. Acest transfer de căldură se poate produce prin conducție, convecție sau radiație. Proprietățile formale ale temperaturii sunt studiate în termodinamică. Temperatura joacă, de asemenea, un rol important în aproape toate domeniile științei, inclusiv fizică[2], chimie[3], și biologie.

Temperatura este legată de cantitatea de energie termică sau de căldură dintr-un sistem. Deoarece se adaugă mai multă căldură cu cât temperatura crește, în mod similar o scădere a temperaturii corespunde unei pierderi de căldură din sistem. La scară microscopică această căldură corespunde mișcării haotice a atomilor și moleculelor din sistem. Astfel, o creștere a temperaturii corespunde unei creșteri a vitezei de deplasare a atomilor din sistem.

Temperatura medie anuală în lume

Multe proprietăți fizice ale materialelor, inclusiv faza (gaz, lichid sau solid), densitatea, solubilitatea, presiunea de vapori, și conductivitatea electrică, depind de temperatură. Temperatura joacă, de asemenea, un rol important în determinarea vitezei și măsurii în care apar reacțiile chimice. Acesta este unul din motivele pentru care corpul uman are mai multe mecanisme pentru menținerea temperaturii la 37 °C, deoarece temperaturi cu numai câteva grade mai mari pot conduce la reacții dăunătoare cu consecințe grave. Temperatura controlează, de asemenea, tipul și cantitatea de radiații termice emisă de o suprafață. O aplicație a acestui efect este becul incandescent, în care un filament de tungsten este încălzit electric la o temperatură la care sunt emise cantități semnificative de lumină vizibilă.[4]

Temperatura este o proprietate intrinsecă a unui sistem, ceea ce înseamnă că aceasta nu depinde de dimensiunea sistemului sau cantitatea de material din sistem. Alte proprietăți intrinseci includ presiunea și densitatea. Prin contrast, masa și volumul sunt proprietăți extrinseci, și depind de cantitatea de material în sistem.

Temperatura este un parametru fundamental de stare care caracterizează starea termică a unui corp, mai exact, starea de echilibru termodinamic. Condițiile stării de echilibru termodinamic sunt exprimate prin cele două postulate ale termodinamicii:

  • Primul postulat, denumit și principiul general al termodinamicii, se referă la faptul că un sistem izolat ajunge totdeauna, după un interval de timp, în starea de echilibru termodinamic și nu poate ieși, singur, de la sine, din această stare: Conform acestui postulat, dacă un sistem izolat este scos din starea de echilibru termodinamic, el va reveni la condițiile stării de echilibru după un interval de timp, numit timp de relaxare.
  • Al doilea postulat, numit și principiul zero al termodinamicii, precizează proprietățile sistemului aflat în stare de echilibru termodinamic, prin două formulări echivalente:
    • Orice mărime de stare a unui sistem aflat în condiții de echilibru termodinamic poate fi determinată în funcție de parametrii de stare externi ai sistemului și de o mărime ce caracterizează starea interioară a sistemului, numită temperatură
    • Două sisteme termodinamice aflate în echilibru termic cu un al treilea sistem, se găsesc în echilibru între ele.

DefinițiiModificare

Pe baza principiului zeroModificare

În timp ce majoritatea oamenilor au o înțelegere de bază a conceptului de temperatură, definiția formală este destul de complicată[5]. Înainte de a ajunge la o definiție oficială, să luăm în considerare conceptul de echilibru termic. În cazul în care două sisteme închise cu volume fixe sunt aduse împreună, astfel încât să fie în contact termic, pot avea loc modificări în proprietățile celor două sisteme. Aceste schimbări se datorează transferului de căldură între sisteme. Atunci când se ajunge la o stare în care nu apar modificări ulterioare, sistemele sunt în echilibru termic.

O bază pentru definirea temperaturii poate fi obținută din principiul zero al termodinamicii, care prevede că dacă două sisteme, A și B, sunt în echilibru termic, și un al treilea sistem C este în echilibru termic cu sistemul A atunci sistemele B și C vor fi, de asemenea, în echilibru termic. Acesta este un fapt empiric, pe baza observării, și nu a teoriei. Deoarece A, B, și C sunt în echilibru termic, este rezonabil să spunem că fiecare dintre aceste sisteme partajează o valoare comună a unor proprietăți. Numim această proprietate temperatură.[6][7][8]

În general, nu este convenabil să plasăm oricare două sisteme arbitrare în contact termic pentru a vedea dacă acestea sunt în echilibru termic și, astfel, au aceeași temperatură. Prin urmare, este util să se stabilească o scară de temperatură în funcție de proprietățile unui anumit sistem de referință. Apoi, un dispozitiv de măsurare poate fi calibrat în funcție de proprietățile sistemului de referință și utilizat pentru a măsura temperatura altor sisteme. Un astfel de sistem de referință este o cantitate fixă de gaz. Legea lui Boyle indică faptul că produsul presiunii și a volumului (P×V) al unui gaz este direct proporțional cu temperatura. Acest lucru poate fi exprimat prin legea gazului ideal ca:[4]

PV = nRT

unde T este temperatura, n este cantitatea de gaz (numărul de moli) și R este constanta gazului ideal. Astfel, se poate defini o scală pentru temperatură pe bază de presiunea și volumul gazului corespunzătoare temperaturii. În practică, un astfel de termometru cu gaz nu este foarte convenabil, dar pot fi calibrate alte instrumente de măsurare la această scară.

Ecuația indică faptul că pentru un volum fix de gaz, presiunea crește cu creșterea temperaturii. Presiunea este doar o măsură a forței aplicate de gaz pe pereții recipientului și este legată de energia sistemului. Astfel, se poate observa că o creștere a temperaturii corespunde unei creșteri a energiei termice a sistemului. Când două sisteme de temperatură diferite sunt puse în contact termic, temperatura sistemului mai fierbinte scade, ceea ce indică faptul că căldura părăsește acest sistem, în timp ce sistemul mai rece câștigă căldură și crește temperatura. Astfel căldură circulă întotdeauna dintr-o regiune de temperatură ridicată într-o regiune de temperatură mai scăzută și este diferența de temperatură care conduce transferul de căldură între cele două sisteme.[9][10][11]

Pe baza celui de al doilea principiuModificare

Este de asemenea posibil să se definească temperatura pe baza celui de al doilea principiu al termodinamicii, care se ocupă cu entropia. Entropia este o măsură a dezordinii într-un sistem. Al doilea principiu prevede că orice proces va duce la o schimbare sau o creștere netă a entropiei universului. Acest lucru poate fi înțeles în termeni de probabilitate. Luați în considerare o serie de aruncări de monede. Un sistem perfect ordonat ar fi unul în care fiecare ban va cădea fie ban fie marcă. Pentru orice număr de aruncări de monede, există doar o singură combinație de rezultate corespunzătoare acestei situații. Pe de altă parte, există mai multe combinații care pot duce la sisteme dezordonate sau mixte, unde unele monezi sunt ban și altele sunt marcă. Pe măsură ce numărul de monede aruncate crește, numărul de combinații corespunzătoare sistemului imperfect crește. Pentru un număr foarte mare de aruncări de monede, numărul de combinații corespunzătoare de ~ 50% ban și ~ 50% marcă domină, și obținerea unui rezultat semnificativ diferit de cel de 50/50 devine extrem de improbabil. Astfel, sistemul progresează în mod natural la o stare de dezordine sau entropie maximă.[12]

Temperatura empiricăModificare

Experimental se constată că dacă două sisteme termodinamice A și B sunt puse în contact termic (între ele este posibil un schimb de căldură) atunci sistemele ori rămân mai departe în starea de echilibru termodinamic inițial, ori stările de echilibru ale sistemelor sunt perturbate, iar după un anumit timp, în urma schimbului de căldură, se stabilește o altă stare de echilibru termodinamic pentru sistemele A si B. Dacă punem apoi sistemul compus (A+B) în contact termic cu un al treilea sistem C, fie că echilibrul stabilit între sistemele A și B nu se modifică, fie că acest echilibru este perturbat și după un anumit timp toate cele trei sisteme trec într-o nouă stare de echilibru termodinamic. Astfel este pusă în evidență proprietatea de tranzitivitate a echilibrului termodinamic. Starea de echilibru termodinamic a unui sistem este determinată de parametrii externi și de o mărime θ numită temperatură empirică, ce caracterizează starea internă a sistemului. Se spune ca temperatura este un parametru de stare al sistemului. Temperatura este o mărime scalară.

Temperatura empirică la echilibru este aceeași pentru toate sistemele aflate în contact termic și rămâne neschimbată după întreruperea contactului termic. Proprietatea de tranzitivitate a echilibrului termic permite compararea valorilor parametrului θ pentru diferite sisteme folosind un alt corp ca intermediar. Prin urmare, dacă două sisteme puse în contact nu-și schimbă stările termodinamice inițiale, cele două sisteme sunt caracterizate de aceeași temperatură empirică θ, iar dacă stările inițiale se schimbă, atunci cele două corpuri au temperaturi empirice diferite.

Unități de măsurăModificare

Formule pentru transformarea temperaturii exprimată în grade Celsius
Convertire din în Formulă
Celsius Fahrenheit °F = °C × 1,8 + 32
Fahrenheit Celsius °C = (°F – 32) / 1,8
Celsius kelvin K = °C + 273,15
kelvin Celsius °C = K – 273,15
Fahrenheit kelvin K = (°F - 32) / 1,8 + 273,15
kelvin Fahrenheit °F = 1,8 × K – 459,67

Unitatea de măsură în Sistemul Internațional (SI) este kelvinul (K).

Temperatura 0 K este cea numită zero absolut și este punctul în care moleculele și atomii au cea mai mică energie termică. De obicei se folosesc două scări de temperatură, scara Celsius, cu precădere în țările europene și scara Fahrenheit, în Statele Unite. Acestea se definesc cu ajutorul scării Kelvin care constituie scara fundamentală a temperaturilor în știință și tehnică.

Un grad Celsius reprezintă a 1/273,16-a parte din intervalul cuprins între punctul triplu al apei (0,01 °C) și punctul de zero absolut (-273,15 °C), la presiune normală.

Exemple de temperaturi în kelviniModificare

Reacție termonucleară cu carbon 5 × 108
Reacție termonucleară cu heliu 108
Soare în interior 107
Coroana solară 106
Nebuloase vizibile 104
Suprafața Soarelui 6× 103
Punctul de topire al wolframului 3,6 × 103
Punctul de topire al plumbului 6 × 102
Punctul de înghețare al apei 2,7 × 102
Punctul de fierbere al oxigenului (1 atm) 9 × 10
Punctul de fierbere al hidrogenului (1 atm) 2 × 10
Punctul de fierbere al heliului (1 atm) 4,2

Terminologie legată de temperaturăModificare

Mărimi folosite în domeniul termic și definițiile lor [13]
Termen Definiție
Sistem macroscopic Porțiune din spațiu mărginită de o suprafață bine definită, reală sau convențională, compusă din corpuri aflate în interdependență
Fază Orice parte omogenă a unui sistem macroscopic
Transformare de fază Trecerea unui sistem termodinamic dintr-o fază în alta prin modificarea stării sale
Temperatură termodinamică Mărime fizică cu caracter universal, care exprimă starea mișcării interne a unui sistem termodinamic
Temperatură Celsius Diferența dintre temperatura termodinamică T și temperatura termodinamică T0 (prin convenție T0 = 273,15 K)
Diferență de temperaturi Diferența dintre două valori ale temperaturii unui sistem
Scară de temperatură Ansamblu de valori ale temperaturii, stabilite prin prescripții tehnice și acceptate prin convenție
Scară termodinamică de temperatură Scară de temperatură bazată pe principiul al doilea al termodinamicii, definită de relația:
 

în care Q1 și Q2 sunt cantități de căldură schimbate de un sistem termodinamic cu două surse de căldură aflate la temperaturi T1 și T2

Scară internațională practică de temperatură (SIPT) Scară de temperatură bazată pe o serie de puncte fixe de solidificare și fierbere ale unor substanțe pure și pe utilizarea unor mijloace de măsurare și a unor formule de interpolare definite
Puncte fixe de definire valori constante și reproductibile ale temperaturii termodinamice corespunzătoare echilibrului dintre diferite faze
Câmp de temperaturi Totalitatea valorilor temperaturii într-un întreg spațiu, considerat la un moment de timp oarecare
Punct triplu Punctul caracteristic corespunzător stării termodinamice în care un sistem macroscopic se poate găsi simultan în echilibru, în fază solidă, lichidă și gazoasă
Suprafață izotermă Suprafața definită prin totalitatea punctelor din spațiu care au o anumită temperatură la un moment dat


Definiția se referă la situația în care capacitatea termică a sistemului nu variază cu temperatura, de exemplu în cazul gazului perfect.

NoteModificare

  1. ^ „Temperatura”. SetThings.com. . Accesat în . 
  2. ^ Watkinson, John (). The Art of Digital Audio. Taylor & Francis. ISBN 978-0-240-51587-8. 
  3. ^ Agency, International Atomic Energy (). Thermal discharges at nuclear power stations: their management and environmental impacts : a report prepared by a group of experts as the result of a panel meeting held in Vienna, 23–27 October 1972. International Atomic Energy Agency. 
  4. ^ a b Sfetcu, Nicolae (). Căldura - Termodinamica fenomenologică. MultiMedia Publishing. ISBN 978-606-9016-09-1. 
  5. ^ „Bazele teoretice ale conceptului de temperatură”. SetThings.com. . Accesat în . 
  6. ^ Thomson, W. (Lord Kelvin) (martie 1851). „On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh. XX (part II): 261–268, 289–298. 
  7. ^ Roberts, J.K., Miller, A.R. (1928/1960). Heat and Thermodynamics, (first edition 1928), fifth edition, Blackie & Son Limited, Glasgow.
  8. ^ J. R. Partington (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green & Co., London, pp. 175–177.
  9. ^ Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T. Press, Cambridge MA, pp. 47, 57.
  10. ^ Münster, A. (1970), Classical Thermodynamics, translated by E.S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, ISBN: 0-471-62430-6, pp. 49, 69.
  11. ^ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN: 0-88318-797-3, pp. 14–15, 214.
  12. ^ Herbert Callen (1960/1985), Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (first edition 1960), second edition 1985, John Wiley & Sons, New York, ISBN: 0-471-86256-8, pp. 146–148.
  13. ^ STAS 1647-85 Căldură. Terminologie și simboluri.

Legături externeModificare

Vezi șiModificare

Fenomene meteorologice și variabile

Anticiclon | Aversă | Briză | Brumă | Burniță | Caniculă | Ceață | Chiciură | Ciclon | Ciclon tropical | Convecție | Depresiune atmosferică | Energie potențială de convecție disponibilă | Fulger | Fulger globular | Furtună | Furtună de nisip | Grindină | Hipercan | Inhibare de convecție | Îngheț | Lapoviță | Măzăriche | Muson | Ninsoare | Nori | Ploaie | Ploaie înghețată | Polei | Precipitații | Presiune atmosferică | Punct de condensare | Punct de rouă | Scara Beaufort | Taifun | Temperatură | Temperatură aparentă | Temperatură potențială | Temperatură potențială echivalentă | Temperatura suprafeței mării | Tornadă | Trăsnet | Tunet | Umiditate | Uragan | Vapori de apă | Vânt | Virga | Viscol | Vizibilitate | Vorticitate | Zăpadă