Tekst źródłowy strony Temperatura

{{Inne znaczenia| wielkości fizycznej i skal temperatury|[[Temperatura (ujednoznacznienie)|inne znaczenia]]}}
[[Plik:Translational motion.gif|thumb|300px|'''Rys. 1''' W przedstawionej animacji rozmiar atomów [[hel (pierwiastek)|helu]] przedstawiony jest proporcjonalnie do odległości między cząsteczkami jakie są przy ciśnieniu 136 atmosfer. Prędkość ruchu, odpowiadająca temperaturze pokojowej, została spowolniona dwa biliony razy lub odpowiada temperaturze 0,0003 K.]]

'''Temperatura''' – jedna z podstawowych [[wielkość fizyczna|wielkości fizycznych]] ([[parametry stanu (termodynamika)|parametrów stanu]]<ref>Praca zbiorowa, ''Słownik fizyczny'', Warszawa, Państwowe Wydawnictwo „Wiedza Powszechna”, s. 403, 1984, {{ISBN|83-214-0053-1}}.</ref>) w [[termodynamika|termodynamice]]. Temperatura jest związana ze średnią [[energia kinetyczna|energią kinetyczną]] ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany [[układ termodynamiczny|układ]] i jest miarą tej energii{{odn|Heller|Pabjan|2014|s=68}}<ref name="epwn">{{Encyklopedia PWN | id = 3986322 | tytuł = temperatura | data dostępu = 2023-02-27}}</ref>.

Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów [[równowaga termodynamiczna|równowagi termodynamicznej]], bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą.

Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie [[ciepło|ciepła]], gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.

== Temperatura a energia kinetyczna ==
=== Złożony ruch cząsteczek gazu ===
Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy od [[ruch (fizyka)|ruchu]] [[cząsteczka|cząsteczek]], z których złożone jest [[ciało (fizyka)|ciało]]. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta [[energia (fizyka)|energia]] tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w [[gaz]]ie), z [[drgania]]mi [[atom]]ów, cząsteczek (np. w [[ciało krystaliczne|krysztale]]), drganiami wewnętrznymi cząsteczki.

Prędkość atomów w ruchu termicznym (w temperaturze zbliżonej do pokojowej) jest duża. W temperaturze bliskiej [[Zero bezwzględne|zera bezwzględnego]] prędkość ta osiąga minimalne wartości. Na przykład w 1994 r. naukowcy z instytutu [[National Institute of Standards and Technology|NIST]] otrzymali rekordowo niską temperaturę wynoszącą 700 nK (1 nK = 1{{e|−9}} K). Dzięki użyciu laserowej techniki bezpośredniego pomiaru ruchu cząsteczek stwierdzono, że średnia prędkość atomów wynosiła wówczas 7 mm/s.

Cząsteczki, czyli obiekty złożone z dwóch, trzech i więcej atomów, takie jak np. [[tlen|O<sub>2</sub>]], mają więcej [[Stopień swobody (fizyka)|stopni swobody]] ruchu niż pojedyncze atomy. Oprócz ruchu postępowego mogą również obracać się lub wykonywać drgania wewnętrzne (zmiana odległości między atomami w cząsteczce). Wzrost temperatury powoduje wzrost [[średnia|średniej]] [[energia kinetyczna|energii kinetycznej]] każdego z rodzajów ruchu. Dlatego [[gaz]] dwuatomowy, o cząsteczkach mających pięć stopni swobody, wymaga większego wkładu energii dla zmiany temperatury, co oznacza, że ma większe [[ciepło właściwe]] niż [[gaz jednoatomowy]], którego cząsteczki mają tylko trzy stopnie swobody.

Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii przez układ. Przy najmniejszej energii układ osiąga tzw. temperaturę [[zero bezwzględne|zera bezwzględnego]] na termodynamicznej skali temperatury. W tej temperaturze cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię kinetyczną. Według [[Mechanika klasyczna|mechaniki klasycznej]] energia ta osiąga wartość zero (cząsteczki pozostają w spoczynku). Zgodnie z mechaniką kwantową najmniejsza energia jest zazwyczaj większa od 0 (cząsteczki wykonują tzw. [[drgania zerowe]]). Temperatura [[Zero bezwzględne|zera absolutnego]] wynosi 0 [[kelwin]]ów (−273,15 [[Skala Celsjusza|°C]] lub −459,67 [[Skala Fahrenheita|°F]]).

=== Temperatura w kinetycznej teorii gazów ===
Temperatura bezwzględna <math>T</math> układu złożonego z atomów, jak i kilkuatomowych [[Cząsteczka|cząsteczek]] jest w [[Kinetyczno-molekularna teoria gazów|teorii kinetycznej gazów]] określona jako średnia [[energia kinetyczna]] <math>\langle E\rangle</math> ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względem [[Środek masy|środka masy]] układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu:
: <math>T = \frac{\ 2 \langle E\rangle}{f k_B},</math>

gdzie: <math>f</math> – liczba stopni swobody cząstki, <math>k_B</math> – [[współczynnik proporcjonalności]] pomiędzy jednostkami temperatury i energii nazywany [[Stała Boltzmanna|stałą Boltzmanna]], jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38·10<sup>−23</sup> [[Dżul|J]]/[[Kelwin|K]].

== Temperatura a równowaga termodynamiczna ==
Właściwości temperatury są przedmiotem analizy [[termodynamika|termodynamiki]] i [[mechanika statystyczna|mechaniki statystycznej]]. Temperatura układu w stanie [[Równowaga termodynamiczna|równowagi termodynamicznej]] jest zdefiniowana przez zależność pomiędzy [[Różniczka niezupełna|różniczką]] [[ciepło|ciepła]] <math>\delta Q</math> wprowadzanego do systemu w czasie nieskończenie wolnej [[Przemiana kwazistatyczna|kwazistatycznej przemiany termodynamicznej]] a [[różniczka zupełna|różniczką]] <math>d S</math> jej [[entropia|entropii]] podczas tej przemiany
: <math>dS = \frac{\delta Q}{T}.</math>

W odróżnieniu od entropii i ciepła, których [[Mikrostan|mikroskopowe]] definicje obowiązują także w stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura może być zdefiniowana tylko w stanie równowagi lub lokalnej równowagi termodynamicznej.

== Skale temperatury ==
Termodynamiczna definicja temperatury pozwala porównywać jej wartości, ale nie określa jej skali. Dlatego fizycy konstruują [[Skala termometryczna|skale temperatury]]. Skala temperatury zawiera charakterystyczne wartości temperatury i odpowiadające im zjawiska określające stan cieplny. Pierwotnie skale były konstruowane na podstawie charakterystycznych wartości temperatury zmian stanów skupienia i przy założeniu, że rozszerzalność cieczy jest liniowa, później konstrukcje opierano na właściwościach gazów, współcześnie definiuje się temperaturę poprzez odwołanie do fizyki statystycznej.

=== Skale historyczne ===
Pierwsi konstruktorzy [[termometr]]ów i skal temperatury opierali swe skale na znanych im zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany objętości cieczy ([[Alkohole|alkoholu]], [[rtęć|rtęci]]). W skalach tych, jako punkty odniesienia, przyjmowano wartości temperatury dwóch zjawisk zachodzących w dobrze określonych warunkach. W [[skala Celsjusza|skali Celsjusza]] przyjmuje się, że 0 °C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100 °C, to temperatura wody [[Wrzenie (fizyka)|wrzącej]] pod normalnym ciśnieniem (choć [[Anders Celsius|Celsjusz]] pierwotnie przyjmował odwrotnie). W tak skonstruowanych skalach mogą występować wartości ujemne.

=== Termodynamiczna skala temperatury ===
We wszystkich wzorach do temperatury w skali Celsjusza trzeba zawsze dodawać stałą wartość 273,15 dlatego wprowadzono skalę temperatury, zwaną bezwzględną lub absolutną. Skalę tę określa na podstawie równania stanu gazu doskonałego ([[Równanie Clapeyrona (stan gazu doskonałego)|równania Clapeyrona]]): <math>pV = nRT.</math> Temperaturę określa się na podstawie pomiaru [[ciśnienie|ciśnienia]] i [[Objętość|objętości]] gazu uznawanego za [[Gaz doskonały]] lub [[Ekstrapolacja (matematyka)|ekstrapoluje]] wyniki dla różnych parametrów gazu rzeczywistego do warunków gazu doskonałego.

W skali bezwzględnej zero zdefiniowane jest jako temperatura gazu idealnego, w której będzie miał on zerową objętość przy dowolnym ciśnieniu. Z punktu widzenia mikroskopowego odpowiada to sytuacji, gdy wszelki ruch cząsteczek gazu ustaje. W rzeczywistości jednak objętości cząsteczek gazu są niezerowe, oznacza to, że rzeczywistym termometrem gazowym nie można mierzyć dowolnie niskiej temperatury.

Temperatura [[zero bezwzględne|zera bezwzględnego]] jest najniższą temperaturą jaką mogą uzyskać ciała, w temperaturze tej wszystkie cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię, według mechaniki klasycznej ruch cząsteczek całkowicie ustaje, a według [[Mechanika kwantowa|mechaniki kwantowej]] wszystkie cząsteczki znajdują się w stanie podstawowym wykonując tzw. [[drgania zerowe]] (ang. zero-point energy). W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała są w stanie stałym, wyjątkiem jest [[hel (pierwiastek)|hel]], który w pewnym zakresie ciśnienia pozostaje cieczą w dowolnie niskiej temperaturze.

Dla pewnych układów można zdefiniować temperaturę, która według definicji opartej na zmianie entropii będzie ujemna. Układ w takim stanie ma energię większą niż dla dowolnej temperatury dodatniej. Stąd też wciąż temperatura zera bezwzględnego jest najniższą możliwą do uzyskania temperaturą.

Na podstawie stosowanych powszechnie skal temperatury, zdefiniowano nowe, tak by ich zero odpowiadało temperaturze zera bezwzględnego. Jest to odpowiednio [[Kelwin|skala]] [[William Thomson|Kelvina]] odpowiadająca skali Celsjusza oraz [[skala Rankine’a]] odpowiadająca [[skala Fahrenheita|skali Fahrenheita]].

[[Kelwin]] jest główną jednostką temperatury przyjętą w [[Układ SI|układzie SI]] i uznawaną przez cały świat naukowo-techniczny.

=== Międzynarodowa Skala Temperatury (MST-90) ===
Międzynarodowa, ujednolicona skala temperatury jest oparta na wartościach temperatury w punktach charakterystycznych dla kilku [[Związek chemiczny|związków chemicznych]], np. [[punkt potrójny|punkcie potrójnym]] wody, [[tlen]]u, lub punkcie topnienia [[miedź|miedzi]] przy ciśnieniu 101325 [[paskal|Pa]]. W wersji obecnej obowiązuje od [[1990]] r. (ITS 90). Poprzednio obowiązywała skala ITS 68.

== Jednostki temperatury ==
Najczęściej używaną w Polsce i wielu innych krajach jednostką temperatury są stopnie [[Skala Celsjusza|Celsjusza]].

Wzór do przeliczania temperatury w stopniach Celsjusza na temperaturę w kelwinach jest następujący:
: <math>T=t+273{,}15\ \text{K},</math>

gdzie <math>t</math> jest w °C.

W [[Stany Zjednoczone|USA]] w dalszym ciągu używa się stopni [[skala Fahrenheita|Fahrenheita]]. W tej skali temperatura zamarzania wody jest równa 32 °F a wrzenia 212 °F.

Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach Celsjusza:
: <math>t=\frac{5}{9}\cdot \left(t_F-32 \right){}^\circ\text{C}.</math>

Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Fahrenheita:
: <math>t_F=\left(\frac{9}{5}\cdot t+32 \right){}^\circ\text{F}.</math>

{| class="wikitable"
|+ Porównanie temperatur w różnych skalach
|- style="background: #efefef;"
! Zjawisko
! [[Kelwin|Kelvin]]
! [[Skala Celsjusza|Celsjusz]]
! [[Skala Fahrenheita|Fahrenheit]]
! [[Skala Rankine’a|Rankine]]
! [[Skala Delisle’a|Delisle]]
! [[Skala Newtona|Newton]]
! [[Skala Réaumura|Réaumur]]
! [[Skala Rømera|Rømer]]
|-
| [[Zero bezwzględne]]
| '''0'''
|style="color:#800000;"| –273,15
|style="color:#800000;"| –459,67
| '''0'''
| 559,725
|style="color:#800000;"| –90,14
|style="color:#800000;"| –218,52
|style="color:#800000;"| –135,90
|-
| Zero [[Skala Fahrenheita|Fahrenheita]]
| 255,37
|style="color:#800000;"| –17,78
| '''0'''
| 459,67
| 176,67
|style="color:#800000;"| –5,87
|style="color:#800000;"| –14,22
|style="color:#800000;"| –1,83
|-
| [[Krystalizacja|Zamarzanie]] wody
| 273,15
| '''0'''
| 32
| 491,67
| 150
| '''0'''
| '''0'''
| 7,5
|-
| Średnia temperatura ciała człowieka
| 309,8
| 36,6
| 98,2
| 557,9
| 94,5
| 12,21
| 29,6
| 26,925
|-
| [[Wrzenie (fizyka)|Wrzenie]] wody
| 373,15
| 100
| 212
| 671,67
| '''0'''
| 33
| 80
| 60
|-
| [[Topnienie]] [[tytan (pierwiastek)|tytanu]]
| 1941
| 1668
| 3034
| 3494
|style="color:#800000;"| –2352
| 550
| 1334
| 883
|-
| [[Temperatura efektywna (fizyka)|Temperatura efektywna]] [[Fotosfera|fotosfery]] [[Słońce|Słońca]]
| 5800
| 5526
| 9980
| 10440
|style="color:#800000;"| –8140
| 1823
| 4421
| 2909
|}

Inne skale: [[Żarzenie|barwa żaru]], [[barwa nalotowa stali]].

== Zobacz też ==
{{wikisłownik|temperatura}}
* [[temperatura odczuwalna]]

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Bibliografia ==
* {{cytuj książkę |nazwisko = Heller |imię = Michał |autor link = Michał Heller |nazwisko2 = Pabjan |imię2 = Tadeusz |autor link2 = Tadeusz Pabjan |tytuł = Elementy filozofii przyrody |wydawca = Copernicus Center Press |miejsce = Kraków |rok = 2014 |isbn = 978-83-7886-065-5 |odn = tak}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Wielkości termodynamiczne]]