Temperatura

em Educação


Temperatura Ano
Temperatura do ano

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Temperatura Australia
Temperatura na Australia

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Temperatura Dezembro
Temperatura em Dezembro

Temperatura Dezembro

 

Temperatura é uma propriedade física da Matéria que quantitativamente expressa as noções comuns de quente e frio . Objetos de baixa temperatura são frias, enquanto vários graus de temperaturas mais elevadas são referidas como morna ou quente. Calor espontaneamente fluxos de corpos de maior temperatura para corpos de temperatura mais baixa. Nenhum calor Líquido será trocado entre corpos de mesma temperatura, tais órgãos estão a ser dito em " equilíbrio térmico ".
A temperatura de uma substância varia com a velocidade microscópica das partículas fundamentais que ele contém, elevado à segunda potência, ou seja, é proporcional à média da energia cinética de suas partículas. No entanto, qualquer aumento de temperatura ao receber energia cinética externos como o calor também é inversamente proporcional à capacidade de calor . Temperatura pode ser considerada como a " concentração "de energia cinética em relação à sua capacidade de calor. A maior capacidade de calor implica um maior entropia em que a "espalhar" a energia cinética. Um objeto quente deve, pelo menos, quer ter uma menor capacidade de calor ou uma grande energia cinética de um objeto frio.
Quantitativamente, a temperatura é medida com termômetros , que podem ser calibrados para uma variedade de escalas de temperatura .
 
 
Vibração térmica de um segmento da Proteína alfa-hélice . A amplitude das vibrações aumenta com a temperatura.
Temperatura desempenha um papel importante em todos os campos das ciências naturais, incluindo a física , geologia , Química , ciências atmosféricas e biologia .
 

Temperatura Uso em Ciência

Temperatura média anual ao redor do Mundo
Muitas propriedades físicas dos materiais, incluindo a fase sólida , líquida , gasosa ou plasma , densidade , solubilidade , pressão de vapor , e condutividade elétrica dependem da temperatura. Temperatura também desempenha um papel importante na determinação da taxa e extensão em que as reações químicas ocorrem. Esta é uma Razão pela qual o corpo Humano tem vários mecanismos elaborados para manter a temperatura em 310 K, uma vez que temperaturas apenas alguns graus mais elevados pode resultar em reações nocivas, com consequências graves. A temperatura também determina a radiação térmica emitida por uma superfície. Uma aplicação deste efeito é a lâmpada incandescente , em que um de tungstênio filamento é eletricamente aquecido a uma temperatura em que quantidades significativas de visível Luz são emitidos.
Temperatura escalas de temperatura
Veja também: Escala de temperatura
Algum do mundo usa o Celsius escala (° C) para medições de temperatura mais. Ele tem a mesma escala incremental como o Kelvin escala usada pelos cientistas, mas corrige o seu ponto nulo, a 0 ° C = 273,15 K , o ponto de congelamento da Água. [ nota 1 ] Alguns países, notadamente os Estados Unidos, use o Fahrenheit escala para fins comuns, uma escala histórica em que a água congela a 32 ° F e ferve a 212 ° F.
Para fins práticos de medição de temperatura científica, o Sistema Internacional de Unidades (SI) define uma escala e unidade para a temperatura termodinâmica usando a temperatura facilmente reproduzível do ponto triplo da água como um segundo ponto de referência. Por razões históricas, o ponto triplo é fixado em 273,16 unidades do incremento de medição, que foi nomeado o kelvin em homenagem ao físico escocês que primeiro definiu a escala. O Símbolo da unidade do kelvin é K.
Zero absoluto é definida como uma temperatura de 0 precisamente  kelvins , que é igual a -273,15 ° C ou -459,68 ° C.
Temperatura abordagem termodinâmica à temperatura
Temperatura é um dos principais quantidades estudadas no Campo da termodinâmica . Termodinâmica investiga a relação entre calor e Trabalho, usando uma escala especial de temperatura chamada de temperatura absoluta, e, portanto, relaciona a temperatura de trabalho, como considerado a seguir . Em termos termodinâmicos, a temperatura é um macroscópico variável intensiva porque é independente da quantidade em massa de entidades elementares contidas no interior, sejam eles Átomos, moléculas, ou elétrons. Sistemas do mundo real não são homogêneos. Para o estudo, um corpo é geralmente dividido espacialmente e temporalmente conceitualmente em imaginado "células" de tamanho pequeno. Se as condições termodinâmicas clássica de equilíbrio para a matéria estão preenchidos a boa aproximação em cada "célula", então existe uma temperatura para cada "célula", e equilíbrio termodinâmico locais é dito a prevalecer no corpo.
Temperatura abordagem mecânica estatística à temperatura
Mecânica estatística fornece uma explicação microscópica da temperatura, com base em sistemas macroscópicos "ser composto de muitas partículas, como moléculas e íons de várias espécies, as partículas de uma espécie de ser todos iguais. Ele explica fenômenos macroscópicos em termos da mecânica da moléculas e íons, e as avaliações estatísticas de suas aventuras conjuntas . Na abordagem termodinâmica estatística , graus de liberdade são usadas em vez de partículas.
No nível molecular, a temperatura é o resultado do movimento das partículas que constituem o material. Partículas que se deslocam transportar energia cinética . Temperatura aumenta à medida que este movimento eo aumento de energia cinética. O movimento pode ser o movimento de translação de partículas, ou a energia da partícula, devido à vibração molecular ou a excitação de um elétron nível de energia . Embora os equipamentos de laboratório muito especializado é necessário para detectar diretamente os movimentos de translação térmica, as colisões térmicas por átomos ou moléculas com pequenas partículas suspensas em um fluido produz o movimento browniano , que pode ser visto com um microscópio comum. Os movimentos térmicos dos átomos são muito rápidos e temperaturas próximas do zero absoluto são obrigados a observar diretamente deles. Por exemplo, quando os cientistas do NIST alcançado uma temperatura recorde de baixa definição de 700 nK (1 nK = 10 -9 K) em 1994, eles usaram laser de equipamentos para criar uma rede óptica para adiabaticamente legal de césio átomos. Eles, então, desligou o aprisionamento de lasers e medido diretamente velocidades átomo de 7 milímetros por segundo, a fim de calcular a sua temperatura.
Moléculas , como o oxigênio (O 2 ), têm mais graus de liberdade do que um único átomos esféricos: passam por movimentos rotacionais e vibracionais, bem como traduções. Aquecimento resulta em um aumento da temperatura devido a um aumento na média de energia de translação das moléculas. Aquecimento também fará com que, através equipartitioning , a energia associada com os modos de vibração e rotação a aumentar. Assim, um diatomic Gás vai exigir um maior insumo de energia para aumentar sua temperatura por um determinado valor, ou seja, ele terá uma maior capacidade térmica de um gás monoatômico.
O processo de refrigeração envolve a remoção de energia térmica a partir de um sistema. Quando não há mais energia pode ser removido, o sistema está no zero absoluto , que não pode ser alcançado experimentalmente. Zero absoluto é o ponto nulo da temperatura termodinâmica escala, também chamado de temperatura absoluta. Se fosse possível para esfriar um sistema do zero absoluto, todo o movimento das partículas que compreende a matéria cessaria e estaria em repouso absoluto neste clássico sentido. Microscopicamente na descrição da mecânica quântica, no entanto, a matéria ainda tem energia ponto zero , mesmo em zero absoluto, por causa do princípio da incerteza .
 

Temperatura Teoria básica

Distinta de uma quantidade de calor , a temperatura pode ser visto como uma medida de Qualidade de um corpo [ 1 ] ou de calor. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] A qualidade é chamado hotness por alguns escritores. [ 6 ] [ 7 ]
Quando dois sistemas estão na mesma temperatura, nenhuma transferência líquida de calor ocorre spontanteously, por condução ou radiação , entre elas. Quando uma diferença de temperatura existe, e existe uma ligação condutiva ou radiativa entre eles, não é espontânea transferência de calor do sistema mais quente para o mais frio do sistema, até que eles estão em mútuo equilíbrio térmico . Transferência de calor ocorre por condução ou por radiação térmica. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
Físicos experimentais, por exemplo Galileo e Newton , [ 16 ] descobriu que existem indefinidamente muitas escalas de temperatura empírica .
Temperatura temperatura para corpos em equilíbrio termodinâmico
Para a física experimental, hotness significa que, quando se comparam dois corpos quaisquer dados em seus respectivos separado equilíbrio termodinâmico , quaisquer dois termômetros devidamente dado empírico com leituras de escala numérica vai concordar a respeito de qual é o mais quente dos dois corpos dado, ou que têm o mesma temperatura. Isso não exige os dois termômetros para ter uma relação linear entre suas leituras escala numérica, mas exige que a relação entre suas leituras numéricas devem ser estritamente monotônica . [ 17 ] [ 18 ] Um sentido definido de maior hotness pode ser tido, independentemente de calorimetria , da termodinâmica e das propriedades de materiais particular, a partir de lei do deslocamento de Wien da radiação térmica : a temperatura de um banho de radiação térmica é proporcional , por uma constante universal, a freqüência do máximo de seu espectro de frequências , o que freqüência é sempre positivo, mas pode ter valores que tendem a zero . Radiação térmica é inicialmente definida para uma cavidade em equilíbrio termodinâmico. Estes fatos físicos justificar uma declaração Matemática que existe em um hotness ordenou unidimensional múltiplas . Este é um caráter fundamental de temperatura e termômetros para corpos em equilíbrio termodinâmico a sua própria. [ 19 ] [ 6 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 7 ]
Exceto por um sistema passando por uma primeira ordem de mudança de fase , como o derretimento do Gelo, como um sistema fechado recebe calor, sem alteração no seu volume e sem mudança no campos de força externa agindo sobre ele, sua temperatura aumenta. Para um sistema passando por essa mudança de uma fase tão lentamente que a saída do equilíbrio termodinâmico pode ser negligenciado, sua temperatura permanece constante como o sistema é fornecido com calor latente . Por outro lado, uma perda de calor de um sistema fechado, sem mudança de fase, sem mudança de volume, e sem mudança no campos de força externas agindo sobre ele, diminui a sua temperatura. [ 22 ]
Temperatura temperatura para corpos em um Estado estacionário, mas não em equilíbrio termodinâmico
Enquanto que para corpos em seus estados de equilíbrio termodinâmico próprios, a noção de temperatura com segurança exige que todos os termômetros empírica devem concordar sobre qual dos dois corpos é o mais quente ou que estão à mesma temperatura, este requisito não é seguro para corpos que estão em estados estacionários embora não em equilíbrio termodinâmico. Então ele pode muito bem ser que diferentes termômetros empírica discordam sobre qual é o mais quente, e se isto é assim, então pelo menos um dos corpos não tem uma temperatura termodinâmica bem definida absoluta. No entanto, qualquer corpo um dado e qualquer um termômetro apropriado empírica pode ainda noções de suporte empírico, não-absoluto hotness e temperatura, para uma gama adequada de processos. Este é um assunto para estudo em não-equilíbrio termodinâmica .
Temperatura temperatura para corpos não em um estado estacionário
Quando um corpo não está em um estado de equilíbrio, então a noção de temperatura torna-se ainda menos seguro do que para um corpo em um estado de equilíbrio não em equilíbrio termodinâmico. Esta é também uma questão de estudo em não-equilíbrio termodinâmica .
Temperatura axiomática equilíbrio termodinâmico
Para o tratamento axiomático de equilíbrio termodinâmico, desde 1930, tornou-se habitual para se referir a uma lei zero da termodinâmica . A versão habitualmente declarou minimalista de uma tal lei somente postula que todos os corpos, que quando conectado termicamente estaria em equilíbrio térmico, deve-se dizer que têm a mesma temperatura, por definição, mas por si só não estabelece a temperatura como uma quantidade, expressa como um verdadeiro número em uma escala. Uma versão mais fisicamente informativo de tal lei visualizações temperatura empírica como um gráfico em um distribuidor hotness. [ 6 ] [ 23 ] [ 21 ] Enquanto a lei zero permite a definição de diferentes escalas empíricas de temperatura, a segunda lei da termodinâmica seleciona a definição de um único, preferiu temperatura absoluta , única até um fator de escala arbitrário, de onde chamou a temperatura termodinâmica . [ 24 ] [ 25 ] [ 6 ] [ 26 ] [ 20 ] [ 27 ] Se a energia interna é considerada como uma função do volume e entropia de um sistema homogêneo em equilíbrio termodinâmico, a temperatura absoluta termodinâmica aparece como a derivada parcial da energia interna com respeito a entropia a volume constante. Sua origem, natural intrínseco ou ponto nulo é o zero absoluto em que a entropia de qualquer sistema é, no mínimo. Embora esta seja a menor temperatura absoluta descrita pelo modelo, a terceira lei da termodinâmica postula que o zero absoluto não pode ser alcançado por qualquer sistema físico.
Temperatura Capacidade térmica
 
Veja também: Capacidade térmica  e Calorimetria
Quando uma amostra é aquecida, o que significa que recebe energia térmica a partir de uma fonte externa, alguns dos introduzido calor é convertida em energia cinética, o resto a outras formas de energia interna, específico para o material. A quantidade convertida em energia cinética faz com que a temperatura do material a subir. O calor introduzido ( Δ Q ) dividido pela mudança de temperatura observada é a capacidade térmica ( C ) do material.
 
Se a capacidade é medida de calor para uma bem definida quantidade de substância , o calor específico é a medida do calor necessária para aumentar a temperatura de uma tal unidade de quantidade por uma unidade de temperatura. Por exemplo, para elevar a temperatura da água por um kelvin (igual a um grau Celsius) requer 4.186 joules por quilograma (J / kg) ..
Temperatura Medição da temperatura
 
 
 
Um típico Celsius termómetro mede a temperatura Dia de Inverno de -17 ° C .
Veja também: Linha do Tempo de temperatura e pressão tecnologia de medição , Escala Internacional de Temperatura de 1990 , e Comparação de escalas de temperatura
Medição de temperatura usando científico moderno termômetros e escalas de temperatura remonta pelo menos até o início do Século 18, quando Gabriel Fahrenheit adaptados um termômetro (mudar para o mercúrio ) e uma escala de ambos desenvolvidos pela Ole Christensen Rømer . Fahrenheit em escala ainda está em uso nos Estados Unidos para não-científica aplicações.
Temperatura é medida com termômetros que podem ser calibrados para uma variedade de escalas de temperatura . Na maior parte do mundo (com exceção de Belize , Mianmar , a Libéria e os Estados Unidos ), a escala Celsius é usada para fins mais medição de temperatura. A maioria das medidas de temperatura cientista utilizando a escala Celsius ea temperatura termodinâmica usando o Kelvin escala, que é a escala Celsius compensados ​​de forma que seu ponto nulo é 0 K = -273,15 ° C , ou zero absoluto . Campos da Engenharia em muitas os EUA, nomeadamente high-tech e especificações federal dos EUA (civil e militar), também usar o Kelvin e Celsius. Campos da engenharia em outras os EUA também dependem da escala Rankine (a escala Fahrenheit mudou) quando se trabalha em termodinâmicos relacionados com disciplinas como a combustão .
Temperatura Unidades
A unidade básica de temperatura no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o kelvin . Ele tem o símbolo K.
Para aplicações diárias, muitas vezes é conveniente utilizar a escala Celsius, em que 0 ° C corresponde muito de perto ao ponto de congelamento da água e 100 ° C é o seu ponto de ebulição ao nível do Mar. Porque gotículas de líquido comumente existem em nuvens em temperaturas abaixo de zero, 0 ° C é melhor definido como o ponto de fusão do gelo. Nesta escala, a diferença de temperatura de 1 grau Celsius é o mesmo que um 1 kelvin incremento, mas a escala é compensada pela temperatura em que o gelo derrete (273,15 K).
Por um acordo internacional [ 28 ] do Kelvin e Celsius são definidos por dois pontos de fixação: o zero absoluto eo ponto triplo de Viena Padrão Médio da Água do Oceano , que é água especialmente preparada com uma mistura específica de hidrogênio e isótopos de oxigênio. Zero absoluto é definido como precisamente 0 K e -273,15 ° C . É a temperatura na qual todos os movimentos clássicos de translação das partículas que compreende a matéria deixa e eles estão em repouso completo no modelo clássico. Quantum mecanicamente, no entanto, do ponto-zero movimento permanece e tem uma energia associada, a energia do ponto zero . Assunto está em seu estado fundamental , [ 29 ] e não contém energia térmica . O ponto triplo da água é definida como 273,16 K e 0,01 ° C . Esta definição tem as seguintes finalidades: ele corrige a magnitude do kelvin como sendo precisamente a parte 1 273,16 em peças da diferença entre o zero absoluto eo ponto triplo da água, que estabelece que um kelvin tem precisamente a mesma magnitude de um grau na escala Celsius, e que estabelece a diferença entre os pontos nulos dessas escalas como sendo 273,15 K ( 0 K = -273,15 ° C e 273,16 K = 0,01 ° C ).
Nos Estados Unidos, a escala Fahrenheit é amplamente utilizado. Nesta escala o ponto de congelamento da água corresponde a 32 ° F eo ponto de ebulição a 212 º F. A escala Rankine, ainda usado nos campos de engenharia química em os EUA, é uma escala absoluta com base no incremento de Fahrenheit.
Temperatura Conversão
A tabela a seguir mostra as fórmulas de conversão de temperatura para as conversões de e para a escala Celsius.
de Celsius para Celsius
Fahrenheit [° F] = [° C] ×  9 / 5  + 32 [° C] = ([° F] - 32) ×  5 / 9
Kelvin [K] = [°C] + 273.15 [°C] = [K] − 273.15
Rankine [° R] = ([° C] + 273,15) ×  9 / 5 [° C] = ([° R] - 491,67) ×  5 / 9
Delisle [° De] = (100 - [° C]) ×  3 / 2 [° C] = 100 - [° De] ×  2 / 3
Newton [° N] = [° C] ×  33 / 100 [° C] = [° N] ×  100 / 33
Reaumur [° Ré] = [° C] ×  4 / 5 [° C] = [° Ré] ×  5 / 4
Romer [° RO] = [° C] ×  21 / 40  + 7.5 [° C] = ([° RO] - 7,5) ×  40 / 21
Temperatura Plasma Física
O campo da física de plasma lida com fenômenos da eletromagnéticas Natureza que envolvem temperaturas muito altas. É costume expressar temperatura em elétron-volts (eV) ou kiloelectronvolts (keV), onde 1 eV = 11 605 K . No estudo da matéria QCD um rotineiramente depara com temperaturas da ordem de algumas centenas de MeV , equivalente a cerca de 10 12 K .
Temperatura Fundamentação Teórica
 
Historicamente, existem várias abordagens científicas para a explicação da temperatura: a descrição termodinâmica clássica com base em variáveis ​​macroscópicas empírica que pode ser medida em um laboratório, a teoria cinética dos gases que relaciona a descrição macroscópica para a distribuição de probabilidade da energia de movimento do partículas de gás, e uma explicação microscópica com base na física estatística e mecânica quântica . Além disso, tratamentos rigorosos e puramente matemáticos têm proporcionado uma abordagem axiomática a termodinâmica clássica e temperatura. [ 30 ] Estatística Física fornece uma compreensão mais profunda, ao descrever o comportamento atômica da matéria, e deriva propriedades macroscópicas das médias estatísticas de estados microscópicos, incluindo clássicos e estados quânticos. Na descrição física fundamental, usando unidades naturais , a temperatura pode ser medida diretamente em unidades de energia. No entanto, na prática sistemas de medição para a ciência, tecnologia e comércio, como o moderno sistema métrico de unidades, o macroscópica e microscópica as descrições estão inter-relacionadas pela constante de Boltzmann , um fator de proporcionalidade que as escalas de temperatura para a energia média microscópicas cinética .
A descrição microscópica na mecânica estatística é baseada em um modelo que analisa um sistema em suas partículas fundamentais da matéria ou em um conjunto de Música clássica ou mecânica quântica osciladores e considera o sistema como um ensemble estatístico de micro . Como uma coleção de partículas materiais clássicos, a temperatura é uma medida da energia média de movimento, chamado de energia cinética , das partículas, se em sólidos, líquidos, gases ou plasmas. Energia cinética, um conceito de mecânica clássica , é uma metade do produto de massa e da praça de uma partícula de velocidade . Nesta interpretação mecânica do movimento térmico, as energias cinéticas das partículas de material pode residir na velocidade das partículas de seu movimento de translação ou de vibração ou na inércia de seus modos de rotação. Em monoatómico gases perfeitos e, aproximadamente, na maioria dos gases, a temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas. Também determina a função distribuição de probabilidade da energia. Em matéria condensada, e particularmente em sólidos, esta descrição puramente mecânico é muitas vezes menos útil eo modelo de oscilador fornece uma descrição melhor para explicar fenômenos quânticos mecânica. Temperatura determina a ocupação estatística dos microestados do conjunto. A definição microscópica de temperatura só é significativo no limite termodinâmico , ou seja, para grandes conjuntos de estados ou partículas, para satisfazer os requisitos do modelo estatístico.
No contexto da termodinâmica, a energia cinética é também referida como energia térmica . A energia térmica pode ser particionado em componentes independentes atribuídos à graus de liberdade das partículas ou aos modos de osciladores em um sistema termodinâmico . Em geral, o número desses graus de liberdade que estão disponíveis para o equipartitioning de energia depende da temperatura, ou seja, a região de energia das interações em consideração. Para sólidos, a energia térmica está associada principalmente com a vibração de seus átomos ou moléculas sobre a sua posição de equilíbrio. Em um gás ideal monoatômico , a energia cinética é encontrada exclusivamente nos movimentos puramente de translação das partículas. Em outros sistemas, vibracional e rotacional movimentos também contribuem graus de liberdade.
Temperatura teoria cinética dos gases
 
 
A temperatura de um ideal monoatômico gás está relacionada com a média de energia cinética de seus átomos . Nesta animação, o tamanho de hélio átomos em relação ao seu espaçamento é mostrada a escala em 1950 atmosferas de pressão. Esses átomos têm uma velocidade, certas média (abrandou aqui dois trilhões de vezes desde a temperatura ambiente).
A teoria cinética dos gases usa o modelo do gás ideal para relacionar a temperatura com a energia cinética média dos átomos em um recipiente de gás. Mecânica clássica define a energia cinética da seguinte forma:
 
onde m é a massa da partícula e v sua velocidade. A distribuição de energias (e, portanto, velocidades) das partículas de qualquer gás é dada pela distribuição de Maxwell-Boltzmann . A temperatura de um gás ideal clássico está relacionado com a sua energia cinética média por grau de liberdade E k através da equação: [ 31 ]
 
onde a constante de Boltzmann k = R / n ( n  =  número de Avogadro , R  =  constante dos gases ideais ). Esta relação é válida no regime clássico, isto é, quando a densidade das partículas é muito menor do que 1 / Λ 3 , onde Λ é a térmica comprimentos de onda de Broglie . Um gás monoatômico tem apenas os três graus de liberdade de translação.
A segunda lei da termodinâmica afirma que quaisquer dois sistemas dado ao interagir uns com os outros, mais Tarde, atingir a mesma energia média por partícula e, portanto, a mesma temperatura.
Em uma mistura de partículas de massas diferentes, o mais pesado partículas se movem mais lentamente do que as partículas mais leves, mas têm a mesma média de energia cinética. A neon átomo se move mais devagar em relação a um hidrogênio Molécula da mesma energia cinética; uma partícula de pólen suspensos em água se move em um lento movimento browniano rápido entre as moléculas de água em movimento.
Temperatura lei zero da termodinâmica
Ver artigo principal: lei zero da termodinâmica
Tem sido reconhecido que, se dois corpos de temperaturas diferentes são postos em relação térmicas, condutores ou radiativa, de troca de calor que acompanhada de mudanças de outras variáveis ​​de estado. Deixou isolado de outros órgãos, os dois corpos ligados, eventualmente, atingir um estado de equilíbrio térmico em que nenhuma outra alteração ocorrer. Esse Conhecimento básico é relevante para a termodinâmica. Algumas abordagens para a termodinâmica levar esse conhecimento básico como axiomático, outras abordagens selecionar apenas um aspecto estreito deste conhecimento básico como axiomático, e usar outros axiomas para justificar e expressar dedutivamente os restantes aspectos do mesmo. O aspecto escolhido pelas abordagens último muitas vezes se afirma nos livros didáticos como a lei zero da termodinâmica, mas outras declarações deste conhecimento básico são feitas por vários escritores.
A declaração Livro usual da lei zero da termodinâmica é que se dois sistemas estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, então eles também estão em equilíbrio térmico um com o outro. Esta afirmação é feita para justificar uma declaração de que todos os três sistemas têm a mesma temperatura, mas, por si só, não justifica a idéia de temperatura como uma escala numérica de um conceito de hotness que existe em uma variedade unidimensional com um sentido de maior hotness. Às vezes, a lei zero é indicado para fornecer a justificação última. [ 23 ] Para os sistemas adequados, uma escala de temperatura empírica pode ser definida pela variação de uma das variáveis ​​de estado, tais como pressão, quando todas as outras coordenadas são fixas. A segunda lei da termodinâmica é usado para definir uma escala de temperatura absoluta termodinâmica para sistemas em equilíbrio térmico.
A escala de temperatura é baseado nas propriedades de algum sistema de referência a que outros termómetros podem ser calibrados. Um sistema de referência é uma quantidade fixa de gás. A lei dos gases perfeitos indica que o produto da pressão ( p ) e volume ( V ) de um gás é diretamente proporcional à temperatura termodinâmica: [ 31 ]
 
onde T é a temperatura, n é o número de moles de gás e R = 8,314 4 72 (15) Jmol -1 K -1 é a constante dos gases . Reformular o termo pressão-volume como a soma das energias das partículas mecânica clássica em termos de massa de partículas, m , ea raiz quadrada média da velocidade da partícula v , a lei do gás ideal fornece diretamente a relação entre energia cinética e temperatura: [ 32 ]
 
Assim, pode-se definir uma escala de temperatura com base na pressão correspondente e volume do gás: a temperatura em kelvin é a pressão em pascal de um mol de gás em um recipiente com um metro cúbico, dividido pelo gás constante. Na prática, como um termômetro a gás não é muito conveniente, mas outros termómetros podem ser calibrados para essa escala.
A pressão, volume, eo número de moles de uma substância são todos inerentemente superior ou igual a zero, sugerindo que a temperatura também deve ser maior ou igual a zero. Como uma questão prática, não é possível usar um termômetro de gás para medir a temperatura do zero absoluto desde os gases tendem a se condensar em um líquido muito antes de a temperatura chega a zero. É possível, no entanto, extrapolar para o zero absoluto, usando a lei do gás ideal.
Temperatura Segunda lei da termodinâmica
Ver artigo principal: Segunda lei da termodinâmica
Na seção anterior certas propriedades de temperatura foram expressos pela lei zero da termodinâmica. Também é possível definir a temperatura em termos da segunda lei da termodinâmica , que trata da entropia . Entropia é frequentemente considerada como uma medida da desordem num sistema. A segunda lei diz que qualquer processo resultará em nenhuma mudança ou um aumento líquido na entropia do Universo. Isso pode ser entendido em termos de probabilidade.
Por exemplo, em uma série de moedas, um sistema perfeitamente ordenado seria aquele em que tanto a cada lance dá cara ou a cada lance der Coroa. Isto significa que, para um perfeito conjunto ordenado de moedas, há apenas um conjunto de toss resultados possíveis: o conjunto no qual 100% de lançamentos surgem a mesma. Por outro lado, há múltiplas combinações que pode resultar em sistemas desordenados ou misturados, onde uma fração são cabeças e as caudas de descanso. A desordem no sistema pode ser cabeças e caudas de 90% a 10%, ou poderia ser cabeças de 98% e 2% caudas, et cetera. Como aumenta o número de moedas, o número de combinações possíveis correspondentes aos aumentos imperfeitamente ordenada sistemas. Para um número muito grande de moedas, as combinações de cabeças ~ 50% e ~ 50% coroas e domina a obtenção de um resultado significativamente diferente de 50/50 torna-se extremamente improvável. Assim, o sistema naturalmente progride para um estado de desordem máximo ou entropia.
Foi dito anteriormente que a temperatura controla o fluxo de calor entre dois sistemas e foi apenas mostrado que o universo tende a progredir de forma a maximizar a entropia, que se espera de qualquer sistema natural. Assim, espera-se que existe alguma relação entre temperatura e entropia. Para encontrar esta relação, a relação entre calor, trabalho e temperatura é a primeira considerada. A máquina térmica é um dispositivo para converter energia térmica em energia mecânica, resultando na prestação de trabalho, e análise da máquina térmica de Carnot fornece a relação necessária. O trabalho de uma máquina térmica corresponde à diferença entre o calor introduzido no sistema na temperatura alta, q H eo calor ejetada a uma temperatura baixa, q C . A eficiência é o trabalho dividido pelo calor introduzido no sistema ou:
 (2)
onde w cy é o trabalho realizado por ciclo. A eficiência depende apenas de q C / q H . Porque q C e q H correspondem à transferência de calor nas temperaturas T C e T H , respectivamente, q C / q H deve ser alguma função destas temperaturas:
 (3)
O teorema de Carnot estabelece que qualquer máquina reversível trabalhando entre os reservatórios de calor mesmo são igualmente eficientes. Assim, uma máquina operando entre T 1 e T 3 deve ter a mesma eficiência que uma constituída de dois ciclos, um entre T 1 e T 2 , eo segundo entre T 2 e T 3 . Isso só pode ser o caso se:
 
o que implica:
q 13 = f ( T 1 , T 3 ) = f ( T 1 , T 2 ) f ( T 2 , T 3 )
Desde a primeira função é independente de T 2 , esta temperatura deve ser cancelada do lado direito, ou seja, f ( T 1 , T 3 ) é da forma g ( T 1 ) / g ( T 3 ) (ie 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 )), onde g é uma função de uma só temperatura. A escala de temperatura pode agora ser escolhido com a propriedade que:
 (4)
Substituindo a equação 4 na equação 2 apresenta uma relação para a eficiência em termos de temperatura:
 (5)
Observe que para T C = 0 K, o rendimento é 100% e que o rendimento fica maior que 100% abaixo de 0 K. Como uma eficiência maior que 100% Viola a primeira lei da termodinâmica, isto implica que 0 K é a temperatura mínima possível. Na verdade, a temperatura mais baixa já obtida em um sistema macroscópico foi de 20 nK, o que foi alcançado em 1995 no NIST. Subtraindo o lado direito da equação 5 da parte média e reorganizando, temos:
 
onde o sinal negativo indica calor expulso do sistema. Esta relação sugere a existência de uma função de estado, S , definida por:
 (6)
onde o índice indica um processo reversível. A mudança desta função do Estado em torno de qualquer ciclo é zero, como é necessário para qualquer função de estado. Esta função corresponde à entropia do sistema, que foi descrito anteriormente. Rearranjando a Equação 6 dá uma nova definição para a temperatura em termos de entropia e de calor:
 (7)
Para um sistema, onde a entropia S ( E ) é uma função de sua energia E , a temperatura T é dada por:
 (8),
ou seja, o inverso da temperatura é a taxa de aumento de entropia no que diz respeito à energia.
Temperatura Definição da mecânica estatística
A seção anterior elaborado a derivação históricos relativos entropia e de calor. A definição moderna de temperatura é dada pela mecânica estatística . Ele é definido em termos de graus de liberdade fundamentais de um sistema. Eq. (8) da seção anterior é considerado como sendo a relação que define a temperatura. Eq. (7) podem ser derivadas de primeiros princípios .
Temperatura temperatura generalizada das estatísticas única partícula
É possível estender a definição de temperatura até aos sistemas de poucas partículas, como em um ponto quântico . A temperatura generalizada é obtida considerando ensembles tempo em vez de conjuntos espaço de configuração dada em mecânica estatística, no caso de troca térmica e de partículas entre um pequeno sistema de férmions (N ainda menos do que 10) com um sistema de ocupação individual / dupla. O finito quântico grand ensemble partição , [ 33 ] obtidos sob a hipótese de ergodicidade e orthodicity , permite expressar a temperatura generalizada a partir da relação do tempo médio de ocupação τ 1 e τ 2 do sistema de ocupação individual / dupla: [ 34 ]
 
onde E F é a energia de Fermi, que tende à temperatura normal, quando N vai para infinito.
Temperatura temperatura negativa
Ver artigo principal: temperatura negativa
Sobre as escalas de temperatura empírica, que não são referenciadas ao zero absoluto, uma temperatura negativa é um abaixo do ponto zero da escala utilizada. Por exemplo, o gelo seco tem uma temperatura de sublimação de -78,5 ° C , que é equivalente a -109,3 ° F . Na escala Kelvin absoluta, no entanto, esta temperatura é 194,6 K. Na escala absoluta de temperatura termodinâmica nenhum material pode apresentar uma temperatura menor ou igual a 0 K, os quais são proibidos pela terceira lei da termodinâmica .
Na descrição da mecânica quântica de sistemas de spin do elétron e nucleares que têm um número limitado de estados possíveis e, portanto, um limite superior discretos de energia que pode atingir, é possível obter uma temperatura negativa , o que na verdade é numericamente menor do que zero absoluto. No entanto, esta não é a temperatura macroscópica do material, mas sim a temperatura de graus só muito específica de liberdade, que são isolados dos outros e não troca de energia em virtude do teorema de equipartição .
A temperatura negativa é experimentalmente alcançado com técnicas adequadas de rádio frequência que causam uma inversão de população dos estados de spin do estado fundamental. Como a energia no sistema aumenta em cima da população dos estados superiores, a entropia aumenta, assim, como o sistema se torna menos ordenado, mas atinge um valor máximo quando os spins estão uniformemente distribuídas entre os estados chão e animado, após o que começa a diminuir , mais uma vez alcançar um estado de ordem superior como afirma o superior começar a preencher exclusivamente. No ponto de máxima entropia, a função de temperatura mostra o comportamento de uma singularidade , pois a inclinação da função entropia diminui a zero no primeiro e depois vira negativo. Como a temperatura é o inverso da derivada da entropia, a temperatura formalmente vai para o infinito, neste ponto, e muda para o infinito negativo como a inclinação torna-se negativo. Em energias superiores a este ponto, o grau de liberdade de spin, portanto, apresenta formalmente uma temperatura termodinâmica negativo. Como a energia aumenta ainda mais pela população do estado continuou animado, a temperatura negativa se aproxima de zero assintoticamente. [ 35 ] Como a energia do sistema aumenta na inversão de população, um sistema com uma temperatura negativa não é mais frio do zero absoluto, mas sim ele tem uma energia mais elevada do que à temperatura positiva, e pode-se dizer que no mais quente do fato de a temperaturas negativas. Quando entra em contacto com um sistema a uma temperatura positiva, a energia será transferido do regime de temperatura negativa para a região de temperatura positiva.

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