La temperatura es una característica física de un sistema que sea la base de las nociones comunes de caliente y de frío; algo que es más caliente tiene generalmente la mayor temperatura. La temperatura es uno de los parámetros principales de la termodinámica . En la escala microscópica, la temperatura se define como simplemente la energía media de movimientos microscópicos de una sola partícula en el sistema por el grado de la libertad . En la escala a granel, común a los no-científicos, la temperatura se define como que la característica física única que se comparte entre dos de otra manera enteramente desemejante de las cosas que suceden estar en equilibrio termal con uno a (significado, ninguna energía térmica neta se intercambia entre ellas). Para un sólido, estos movimientos microscópicos son principalmente las vibraciones de los átomos constitutivos sobre sus sitios en el sólido. Para un gas monatomic ideal, los movimientos microscópicos son los movimientos de translación de las partículas constitutivas del gas. Para el multiatomic el movimiento rotatorio vibratorio de del gas y se debe incluir también.

La temperatura se mide con los termómetros que pueden ser calibrados a una variedad de escalas de temperatura . En la mayor parte de el mundo (a excepción Estados Unidos, Jamaica, y de algunos otros países), la escala cent3igrada se utiliza para la mayoría de los propósitos de medición de la temperatura. La temperatura científica entera de las medidas del mundo (los E. incluidos) usar la escala cent3igrada y la temperatura termodinámica usar la escala de Kelvin, que es apenas la escala cent3igrada cambiaron de puesto hacia abajo de modo que 0 °C de K= -273.15, o el cero absoluto . Muchos ingeniería colocan en los E., especialmente los de alta tecnología, también utilizan el Kelvin y las escalas cent3igradas. sin embargo, (su gente de la endecha, industria, meteorología popular, y gobierno) confía en la escala de Fahrenheit . Otros campos de la ingeniería en los E. también confían en la escala (una escala de Rankine de Fahrenheit cambiada de puesto) al trabajar en disciplinas termodinámico-relacionadas tales como combustión .

Descripción

Intuitivo, la temperatura es una medida de cómo es caliente o frío es algo. En el nivel molecular, la temperatura es el resultado del movimiento de las partículas que componen una sustancia. La temperatura aumenta mientras que la energía de este movimiento aumenta. El movimiento puede ser el movimiento de translación de la partícula, o la energía interna de la partícula debido a la vibración molecular o la excitación de un nivel de energía del electrón . Aunque el equipo de laboratorio muy especializado se requiera para detectar directo los movimientos termales de translación, las colisiones termales por los átomos o las moléculas con las pequeñas partículas suspendidas en un líquido producen el movimiento browniano que se puede considerar con un microscopio ordinario. Los movimientos termales de átomos son el mismo rápido y las temperaturas cerca del cero absoluto se requieren para observarlos directo. Por ejemplo, cuando los científicos en el NIST alcanzaron una temperatura fría del registrar-ajuste del nK 700 (1 nK = 10−9 K) en 1994, utilizaron el equipo óptico del laser del enrejado a los átomos frescos del cesio adibático . Entonces apagaron los lasers de la colocación de trampas y midieron directo velocidades del átomo de 7 milímetros por segundo para calcular su temperatura.

Las moléculas tal como O2, tienen más grados de la libertad que los solos átomos: pueden tener movimientos rotatorios y vibratorios así como el movimiento de translación. Un aumento en temperatura hará la energía de translación media aumentar. También causará la energía asociada a modos vibratorios y rotatorios al aumento. Así un gas diatómico, con grados de libertad adicionales tiene gusto de la rotación y la vibración, requerirá una entrada de una energía más alta cambiar la temperatura por una cantidad determinada, es decir tendrá una capacidad de calor más alta que un gas monatomic.

El proceso del enfriamiento implica el quitar de energía de un sistema. Cuando no hay energía capaz de ser quitado, el sistema reputa en el cero absoluto, está el punto que en la escala de temperatura (absoluta) termodinámica donde todo el movimiento cinético en las partículas que abarcan la materia cesa y él está en el resto completo en (el quántum non- mecánico) el sentido “clásico”. Por definición, cero absoluto es una temperatura exacto de 0  Kelvins (°F o −459.

Detalles

Las características formales de la temperatura siguen de su definición matemática (véase abajo para la definición de la ley del zeroth y la segunda definición de la ley) y se estudian en la termodinámica y los mecánicos estadísticos .

El contrario a otras cantidades termodinámicas tales como entropía y calor, cuyas definiciones microscópicas son incluso lejanas válido del equilibrio termodinámico, temperatura que es una energía media por partícula se puede definir solamente en el equilibrio termodinámico, o por lo menos el equilibrio termodinámico local (véase abajo).

Como un sistema recibe calor, sus subidas de temperatura; semejantemente, una pérdida de calor del sistema tiende a disminuir su temperatura (en--infrecuente--excepción de la temperatura negativa; ver abajo).

Cuando dos sistemas están en la misma temperatura, ningún traspaso térmico ocurre entre ellos. Cuando existe una diferencia de la temperatura, el calor tenderá a moverse desde el un más alto - sistema de la temperatura al más bajo - sistema de la temperatura, hasta que estén en el equilibrio termal. Este traspaso térmico puede ocurrir vía la conducción, la convección o la radiación o las combinaciones de ellos (véase el calentar para la discusión adicional de los varios mecanismos del traspaso térmico) y de algunos iones pueden variar.

La temperatura también se relaciona con la cantidad de la energía interna y la entalpia de un sistema: cuanto más alta es la temperatura de un sistema, el más alto su energía interna y entalpia.

La temperatura es una característica intensiva de un sistema, significando que no depende del tamaño de sistema, la cantidad o el tipo de material en el sistema, igual que para la presión y la densidad . Por el contrario, el total, el volumen, y la entropía son las características extensas, y dependen de la cantidad de material en el sistema.

El papel de la temperatura en naturaleza

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

Muchas características físicas de materiales incluyendo el ponen en fase ( sólido, líquido, gaseoso o plasma ), densidad, solubilidad, presión de vapor, y la conductividad eléctrica depende de la temperatura. La temperatura también desempeña un papel importante en la determinación de la tarifa y el grado a los cuales las reacciones químicas ocurren. Ésta es una razón por la que el cuerpo humano tiene varios mecanismos elaborados para mantener la temperatura en el °C 37, puesto que las temperaturas solamente algunos grados más alto pueden dar lugar a reacciones dañosas con consecuencias serias. La temperatura también controla el tipo y la cantidad de radiación termal emitidos de una superficie. Un uso de este efecto es la bombilla incandescente, en la cual un filamento del tungsteno es el eléctricamente calentado a una temperatura en la cual las cantidades significativas de luz visible se emitan.

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

Medida de la temperatura

Artículo principal del : La medida de la temperatura, considera también el la escala de temperatura internacional .

La medida de la temperatura usar los termómetros científicos modernos y las escalas de temperatura vuelve por lo menos hasta el siglo XVIII temprano, cuando el Gabriel Fahrenheit adaptó un termómetro (conmutación al mercurio ) y una escala ambas desarrolladas por el Christensen viejo Rømer . La escala de Fahrenheit es todavía funcionando, junto a la escala cent3igrada y a la escala de Kelvin .

Unidades de temperatura

La unidad básica de temperatura (símbolo: El T ) en el sistema internacional de las unidades (SI) es el Kelvin (símbolo: K). El Kelvin y las escalas cent3igradas, por el acuerdo internacional, son definidos por dos puntos: Cero absoluto, y el punto triple del agua (agua del océano del medio del estándar de Viena preparada especialmente con una mezcla especificada de los isótopos del hidrógeno y de oxígeno). Cero absoluto se define como siendo exacto 0  y −273. Cero absoluto es donde todo el movimiento cinético en las partículas que abarcan la materia cesa y están en el resto completo en (el quántum non- mecánico) el sentido “clásico”. En cero absoluto, la materia no contiene ninguna energía termal . También, el punto triple del agua se define como siendo exacto 273. Esta definición hace tres cosas: 1) fija la magnitud de la unidad de Kelvin como siendo exacto 1 porción en 273.16 porciones la diferencia entre cero absoluto y el punto triple del agua; 2) establece que un Kelvin tiene exacto la misma magnitud que un incremento de un grado en la escala cent3igrada ; y 3) establece la diferencia entre los puntos nulos de las dos escalas' como siendo exacto 273.15 kelvins (0  K  = −273. Las fórmulas para convertir de estas unidades de definición de temperatura a otras escalas se pueden encontrar en las fórmulas de la conversión de la temperatura.

En el campo de la física de plasma, debido a las temperaturas altas encontradas y la naturaleza electromágnetica de los fenómenos implicados, está acostumbrado expresar temperatura en los electronvoltios (eV) o los kiloelectronvolts (keV), donde 1 eV = 11. En el estudio de la materia uno QCD resuelve rutinario las temperaturas de la orden el MeV de unas centenas, equivalente alrededor a 1012 K.

Que los usos diarios, es muy a menudo conveniente utilicen la escala cent3igrada, en la cual 0  el °C corresponde a la temperatura en la cual el del agua congela y el °C 100 corresponde al punto de ebullición del agua en el nivel del mar. En esta escala una diferencia de la temperatura de 1 grado es igual que un 1  La diferencia de la temperatura de K, así que la escala es esencialmente igual que la escala de Kelvin, pero compensación por la temperatura en la cual el agua congela (273. Así la ecuación siguiente se puede utilizar para convertir de los grados cent3igrados a los kelvins.

\ mathrm {K = C \ ido (\ frac {1 \, K} {1 \, ^ \ circ C} \ derecho) + 273.15 \, K}

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

¡\ mathrm {\ \! = \ frac {5 \, ^ \ circ C} {9 \, del ^ \ del circ C ^ \ circ F} (^ \ circ F - 32 \ ^ \ circ)}

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

Temperaturas negativas el del de

considera el artículo principal: Temperatura negativa .

Que algunos sistemas y definiciones específicas de la temperatura, es posible obtengan una temperatura negativa . Un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto, sino que es algo, en cierto modo, más caliente que la temperatura infinita .

Fundación teórica de la temperatura

definición de la Zeroth-ley del de la temperatura

Mientras que la mayoría de la gente tiene una comprensión básica del concepto de temperatura, su definición formal es algo complicada. Antes de saltar a una definición formal, dejarnos consideran el concepto del equilibrio termal . Si dos sistemas con los volúmenes fijos se reúnen en contacto termal, los cambios ocurrirán muy probablemente en las características de ambos sistemas. Estos cambios son causados por la transferencia del calor entre los sistemas. Un estado se debe alcanzar en el cual ningunos otros cambios ocurren, para poner los objetos en equilibrio termal.

Una base para la definición de la temperatura se puede obtener de la ley de Zeroth supuesta de la termodinámica que indica que si dos sistemas, A y B, están en el equilibrio termal y un tercer sistema C está en equilibrio termal con los sistemas B del sistema A entonces y C también está en equilibrio termal (el estar en equilibrio termal es una relación transitiva ; por otra parte, es una relación de equivalencia ). Esto es un hecho empírico, basado en la observación algo que teoría. Desde A, B, y C está toda en equilibrio termal, es razonable decir cada uno de estas partes de los sistemas un valor común de una cierta característica. Llamamos esta temperatura de la característica.

Generalmente, no es conveniente poner ninguna dos sistemas arbitrarios en contacto termal para ver si él están en equilibrio termal y así para tener la misma temperatura. También, proporcionaría solamente una escala ordinal .

Por lo tanto, es útil establecer una escala de temperatura basada en las características de un cierto sistema de referencia. Entonces, un aparato de medición se puede calibrar basó en las características del sistema de referencia y usadas para medir la temperatura de otros sistemas. Un tal sistema de referencia es una cantidad fija de gas. La ley de gas ideal indica que el producto de la presión y del volumen (P · V) de un gas es el directo proporcional a la temperatura:

P \ cdot V = n \ cdot R \ cdot T (1)

donde está temperatura 'T, n es el número de los topos del gas y R es el constante de gas . Así, uno puede definir una escala para la temperatura basada en la presión y el volumen correspondientes del gas: la temperatura en kelvins es la presión en PASCAL de un topo de gas en un envase de un metro cúbico, dividido por 8.31… En la práctica, tal termómetro de gas del no es muy conveniente, pero otros instrumentos de medida se pueden calibrar a esta escala.

Es también interesante observar que la presión, el volumen, y el número de topos de una sustancia son toda intrínsecamente mayor o igual cero. Esto sugiere que la temperatura deba también ser mayor o igual cero. Pues una cuestión práctica él no es posible utilizar un termómetro de gas para medir temperatura cero absoluta puesto que los gases tienden a condensar en un líquido mucho antes los alcances cero de la temperatura. Es posible, sin embargo, extrapolar cuántos grados debajo de la actual temperatura es de la gama de temperaturas donde el cero absoluto la ecuación 1 trabaja.

Temperatura en gases

Para un gas ideal la teoría cinética de los mecánicos estadísticos de las aplicaciones de los gases para relacionarse la temperatura con la energía cinética media de los átomos en el sistema. Esta energía media es independiente de la masa de la partícula, que parece antiintuitiva a mucha gente. La temperatura se relaciona solamente con la energía cinética del promedio del de las partículas en un gas - cada partícula tiene su propia energía que los mayo o mayo no corresponder al promedio; la distribución de energías (y así de velocidades) de las partículas en cualquier gas es dada por la distribución de Maxwell-Boltzmann. La temperatura de un gas ideal se relaciona con su energía cinética media vía la ecuación:


\ overline {E} _k = \ comienzan {matriz} \ frac {3} {2} \ extremo {matriz} kT , donde k = nR/N_A (número del n= del constante de gas ideal de los topos, de R=, del N_A = número de Avogadro de ).

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


E_k = \ comienzan {matriz} \ frac {1} {2} \ extremo {matriz} mv^2 (Nota que un cálculo de la energía cinética de un objeto más complicado, tal como una molécula, está levemente más implicado. Los grados adicionales de la libertad están disponibles, así que la rotación o la vibración molecular debe ser.)

incluido La segunda ley de la termodinámica indica que cualquier dos sistemas dados cuando el obrar recíprocamente con uno a alcanzará más adelante la misma energía media por partícula (y por lo tanto la misma temperatura). En una mezcla de partículas de la varia masa, las partículas más pesadas se moverán más lentamente que contrapartes más ligeras, pero todavía tendrán la misma energía media. Un átomo de neón mueve más lento concerniente a una molécula del hidrógeno de la misma energía cinética; una partícula del polen se mueve en un movimiento browniano lento entre las moléculas de agua rápidas, el etc. Una ilustración visual de esto de universidad de estado de Oklahoma hace el punto más claro. Las partículas con diversa masa tienen diversas distribuciones de la velocidad, pero la energía cinética media es igual debido a la ley de gas ideal .

Temperatura del vacío

Es posible utilizar la definición de la ley del zeroth de la temperatura para asignar una temperatura algo que no asociamos normalmente temperaturas a, como un vacío perfecto. Porque todos los objetos emiten la radiación del cuerpo negro, un termómetro en un vacío lejos termal de irradiar fuentes irradiará lejos su propia energía termal; disminución en temperatura indefinidamente hasta que alcance el límite Zero-point de la energía . En ese punto puede ser dicho para estar en equilibrio con el vacío y por definición en la misma temperatura. Si podríamos encontrar un gas que se comportó ideal hasta el final abajo a cero absoluto la teoría de gases cinética nos dice que alcanzaría la energía cinética cero por partícula, y de tal modo alcanza temperatura cero absoluta. Así, por la ley del zeroth un vacío perfecto, aislado está en la temperatura cero absoluta. Observar que para comportarse ideal en este contexto es necesario que los átomos del gas no tengan ninguna energía de punto cero. Resultará no importar que esto no es posible porque la segunda definición de la ley de la temperatura rendirá el mismo resultado para cualquier estado de vacío único.

Más realista, ningún tal vacío ideal existe. Por ejemplo un termómetro en un compartimiento de vacío que se mantenga en una cierta temperatura finita (dice, compartimiento está en el laboratorio en la temperatura ambiente) equilibreará con la radiación termal que recibe del compartimiento y con tiempo que alcanza la temperatura del compartimiento. Si un termómetro que mueve en órbita alrededor de la tierra se expone a una luz del sol, después equilibrea en la temperatura en la cual la energía recibida por el termómetro del Sun es exactamente igual a la energía irradiada lejos por la radiación termal del termómetro. Para un cuerpo negro esta temperatura del equilibrio es cerca de 281 K (°C) +8. La temperatura media de la tierra (que es mantenida por el equilibrio similar) está cercana a esta temperatura.

Un termómetro aislado de la radiación solar (en la cortina de la tierra, por ejemplo) todavía se expone a la radiación termal de la tierra - así demostrará una cierta temperatura del equilibrio en la cual reciba e irradie la cantidad igual de energía. Si este termómetro está cercano a la tierra entonces su temperatura del equilibrio es cerca de 236 K (- °C) 37 a condición de que la superficie de tierra está en 281 K.

Un termómetro lejano de Sistema Solar todavía recibe la radiación de fondo cósmica de la microonda . La temperatura del equilibrio de tal termómetro es cerca de 2.725 K, que es la temperatura de un gas de fotón que constituye el estado de la radiación de fondo de la microonda del cuerpo negro actualmente de la extensión del universo. Esta temperatura se refiere a veces como la temperatura del espacio.

definición de la Segundo-ley de la temperatura

En la sección anterior la temperatura fue definida en términos de ley de Zeroth de la termodinámica. Es también posible definir temperatura en términos de ley segundo de la termodinámica, que se ocupa de la entropía . La entropía es una medida del desorden en un sistema. La segunda ley indica que cualquier proceso dará lugar a ningún cambio o a un aumento neto en la entropía del universo. Esto se puede entender en términos de probabilidad. Considerar una serie de sacudidas de la moneda. Un sistema perfectamente pedido sería uno en el cual o cada sacudida sube las cabezas o sube cada sacudida las colas. Esto significa eso para un sistema perfectamente pedido de sacudidas de la moneda, allí es solamente un sistema de resultados de la sacudida posibles: el sistema en subió qué 100% de sacudidas iguales.

Por una parte, hay las combinaciones múltiples que pueden dar lugar a sistemas desordenados o mezclados, donde está cabezas y las colas alguna fracción del resto. Un sistema desordenado puede ser cabezas del 90% y colas del 10%, o podría ser cabezas del 40% y las colas del 60%, etcétera. Pues el número de moneda sacude aumentos, el número de combinaciones posibles que corresponden a los sistemas imperfecto pedidos aumenta. Para un número muy grande de sacudidas de la moneda, el número de combinaciones que corresponden hasta las cabezas del ~50% y las colas del ~50% domina y la obtención de un resultado perceptiblemente diferente a partir de la 50/50 llega a ser extremadamente inverosímil. Así el sistema progresa naturalmente a un estado del desorden o de la entropía máximo.

Indicamos previamente que los controles de la temperatura el flujo de calor entre dos sistemas y nosotros acaban de demostrar que el universo, y nosotros contábamos con cualquier sistema natural, tienden a progresar para maximizar entropía. Así, esperábamos allí ser una cierta relación entre la temperatura y la entropía. Para encontrar esta relación nos dejó primero considerar la relación entre el calor, el trabajo y la temperatura. Un motor de calor es un dispositivo para el calor que convierte en trabajo mecánico y el análisis del motor de calor de Carnot proporciona las relaciones necesarias que buscamos. El trabajo de un motor de calor corresponde a la diferencia entre el calor puesto en el sistema en la temperatura alta, el qH y el calor expulsado en la baja temperatura, qC . La eficacia es el trabajo dividido por el calor puesto en el sistema o:

\ textrm {eficacia} = \ = \ frac {q_H-q_C} {q_H} del frac {w_ {CY}} {q_H} = 1 - \ frac {q_C} {q_H} (2)

donde está el trabajo el wcy hecho por ciclo. Vemos que la eficacia depende solamente del qC / qH . Porque el qC y el qH corresponden al traspaso térmico en el TC de las temperaturas y el TH, respectivamente, el qC / qH debe ser una cierta función de estas temperaturas:

\ frac {q_C} {q_H} = f (T_H, T_C) (3)

El teorema de Carnot indica que todos los motores reversibles que funcionan entre los mismos depósitos de calor son igualmente eficientes. Así, un funcionamiento del motor de calor entre el T 1 y el T 3 debe tener la misma eficacia que una que consiste en dos ciclos, una entre el T 1 y el T 2, y el segundo entre el T 2 y el T 3. Éste puede solamente ser el caso si:

13} = \ frac {q_1 q_2} {q_2 q_3} del q_ {

cuál implica:

q_ {13} = f (T_1, T_3) = f (T_1, T_2) f (T_2, T_3)

Puesto que primer función es independiente de T 2, este temperatura debe cancelar en derecho, significando que f ( T 1, T 3) es de 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 ()/ g ( del T 1 T 2)· g ( T 2)/ g ( T 3) = g ()/ g ( T 3) del T 1), donde está una función el g de una sola temperatura. Podemos ahora elegir una escala de temperatura con la característica eso:

\ = \ frac {T_C} {T_H} del frac {q_C} {q_H} (4)

Substituir la ecuación 4 nuevamente dentro de la ecuación 2 da una relación para la eficacia en términos de temperatura:

\ textrm {eficacia} = 1 - \ frac {q_C} {q_H} = 1 - \ frac {T_C} {T_H} (5)

Notar que para el TC = 0 K la eficacia es 100% y que la eficacia llega a ser mayor de el 100% debajo de 0 K. Puesto que una eficacia mayor de 100% viola la primera ley de la termodinámica, ésta implica que 0 K son la temperatura posible mínima. De hecho la temperatura más baja obtenida nunca en un sistema macroscópico era el nK 20, que fue alcanzado en 1995 en el NIST. Restar el lado derecho de la ecuación 5 de la porción central y el cambio da:

\ - \ frac {q_C} {T_C} = 0 del frac {q_H} {T_H}

donde la muestra negativa indica el calor expulsado del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado, S, definido cerca:

dS = \ frac {dq_ \ mathrm {rev}} {T} (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 describimos previamente. Podemos cambiando la ecuación 6 para conseguir una nueva definición para la temperatura en términos de entropía y para calentarla:

T = \ frac {dq_ \ mathrm {rev}} {dS} (7)

Para un sistema, donde el S de la entropía puede ser un S ( E ) de la función de su E de la energía, el T de la temperatura se da cerca:

\ = \ frac {dS} {dE} del frac {1} {T} (8)

IE. el recíproco de la temperatura es el coeficiente de incremento de la entropía con respecto a energía.

Ver también


Cero absoluto
Temperatura del cuerpo (termorregulación)
cent3igrado
Temperatura de color
Entropía
Fahrenheit
Calor
Conducción de calor
Convección de calor
ITS-90
ISO 1
Kelvin
Demonio del maxwell
Órdenes de la magnitud (temperatura)
Escala de Rankine
Radiación termal
Temperatura (absoluta) termodinámica
Termómetro
Termografía
Punto triple
Temperatura de globo de bulbo mojado

.

  • Zenithic
  • Ainsworthia
    Random links:Clyde, Ohio | Vector coordinado | Deficiencia de la cinasa del piruvato | Carl Buchheister | Apostolos Doxiadis

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