Температурата (означава се със символа T) () е физична величина, характеризираща средната кинетична енергия на частиците от дадена макроскопична система, намираща се в състояние на термодинамично равновесие. Тя е свързана също със субективните усещания за топло и студено, а количествено се измерва с термометри, които могат да бъдат калибрирани да показват температурата в различни температурни скàли.
Температурата е физично свойство на материята, което количествено изразява общите понятия за горещо и студено. Предмети с ниска температура са студени, а с различни степени на по-високи температури са по-топли или горещи. Когато пътя за пренос на топлина между тях е отворен, топлината спонтанно тече от тела с по-висока температура към тела с по-ниска температура. Дебитът се увеличава с температурната разлика, а не с топлинна енергия, тя ще се обменя между тела със същата температура, които след това се казва, че са в „топлинно равновесие“. В термодинамичната система, в която ентропията се счита за независима външна контролираща променлива или константа, термодинамичната температура се определя като производната на вътрешната енергия по отношението на ентропията. В един идеален газ, съставните молекули не показват вътрешни възбуждания. Те се движат по първия закон на Нютон за движението, свободно и независимо един от друг, освен по време на сблъсъци, които продължават пренебрежимо кратко време. Температурата на идеален газ е пропорционална на средната транслационна кинетична енергия на молекулите.
Амплитудата на температурните вибрации се увеличава с температурата. Температурата играе важна роля във всички области на природните науки, като физика, геология, химия, атмосферни науки и биология.
В равновесно състояние температурата има еднаква стойност за всички макроскопични части на системата. Ако в системата две тела имат еднаква температура, кинетичната енергия на техните частици не се предава между телата. Ако има разлика между температурите, то определено количество топлина се предава от тялото с по-висока температура към тялото с по-ниска температура, до изравняване на температурите. Това количество топлина се определя от Първия закон на термодинамиката и свойствата на температурата се изучават от раздела термодинамика.Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика. – Москва: „Наука“, 1990.
Температурата е едно от основните понятия в областта на термодинамиката. Особено важни в тази област са разликите в температурата между различни части, защото тези различия са движещата сила за топлина, а топлината е пренос на топлинна енергия от места с по-висока температура към места с по-ниска температура.
Исторически данни за произхода на названието „температура“ Думата „температура“ възниква по времето, когато хората смятат, че в по-нагрятите тела се съдържа по-голямо количество от някакво особено вещество – „топлород“, отколкото в по-малко нагрятите. Затова температурата се възприема по това време (подобно на алкохолните напитки) като показател (градус, степен) за „топлородното“ съдържание в сместа, съставена от веществото на тялото и „топлорода“. По тази причина единиците за измерване на алкохолното съдържание на спиртните напитки и температурата се наричат еднакво – градуси.
Основна теория За разлика от количеството топлина, температурата може да се разглежда като мярка за качеството „топлина“ на тялото. Когато две системи са с една и съща температура, няма директен пренос на топлина, тя възниква спонтанно от проводимост или радиация между тях. Когато съществува температурна разлика между тях и има термично-проводяща или радиационна връзка между тях, се осъществява спонтанен пренос на топлина от по-топлата система към по-студената система, докато те станат в топлинно равновесие. Преноса на топлина се осъществява чрез топлопроводимост или чрез топлинна радиация. Експерименталните физици, като например Галилей и Нютон, са установили, че има безкрайно много емпирични температурни скали.
Употреба в науката Много от физичните свойства на веществата, включително фазата на твърдо, течно, газообразно или плазмено състояние, плътност, разтворимост, парно налягане и електрическа проводимост зависят от температурата. Температурата също играе важна роля при определянето на скоростта и обхвата на протичане на химичните реакции.
Това е една от причините човешкото тяло да има няколко сложни механизми за поддържане на постоянна температура от 310 K, тъй като температура само с няколко градуса по-висока или по-ниска може да доведе до вредни реакции със сериозни последствия. Температурата също определя топлинното излъчване от повърхността на даден предмет. Едно от приложенията на този ефект е в лампата с нажежаема жичка, в която волфрамова жичка при протичане на ток се нагрява до температура, при която се отделя значително количество видима светлина. Скоростта на звука също е функция на температурата.
Определение на температура в термодинамиката Температурата е една от основните величини, изучавани в областта на термодинамиката, която е част от физиката, но има отношение и към химията и биологията. Изучава се връзката между топлина и работа с помощта на специална скала на температурата, наречена абсолютната температурна скала. Тя е въведена от лорд Келвин и започва от нулевата ентропия, т.нар. абсолютна нула, като няма отрицателна стойност. В термодинамични условия температурата е микроскопична и интензивно променяща се величина, тъй като е независима от по-голямата част от елементарните частици, съдържащи се вътре, независимо дали са атоми или молекули. Всяка система в термодинамично равновесие има определена температура. Когато две системи с еднаква температура са в контакт, системите остават в равновесие, но когато температурите на системите са различни, в тях започват процеси, които продължават до установяване на равновесие. Реалните системи в света често не са в термодинамично равновесие и не са хомогенни. За проучване на методите на класическата необратимост в термодинамиката, тялото обикновено е пространствено и времево разделено концептуално в съобразени клетки с малки размери.
Температура на тела в термодинамично равновесие В експерименталната физика се казва, че едно тяло е по-горещо от друго, когато показанията на термометрите са различни и на горещото е с по-висока стойност. Телата имат една и съща температура, т.е. термометрите показват една и съща стойност, когато са в термодинамично равновесие. Това е фундаментален характер на температурата и термометрите за телата, намиращи се в термодинамично равновесие. Това не изисква двата термометъра да имат линейна връзка между техните цифрови скали, но връзката между техните числени показания ще бъде строго монотонна. В определен смисъл по-топлото тяло, независимо от калориметрията или свойствата на определени материали, има по-голямо топлинно излъчване. Излъчването на електромагнитни вълни е за сметка на вътрешната енергия на веществото. Има непрекъснат спектър с максимум, чието положение се определя от температурата Т на излъчващото вещество. Топлинното излъчване е присъщо на всички тела с Т > 0 К. При равновесно излъчване разпределението на енергията в спектъра зависи само от Т и се определя от закона на Планк.
Ако температурата на едно тяло е по-висока отколкото тази на околната среда, то излъчва, ако е по-малка – поглъща. Частни случаи на закона на Планк са законите на Стефан-Болцман и на Вин.
С изключение на случая, когато една система претърпява фазов преход, като например топене на лед, когато една затворена система получава топлина без промяна в обема и без промяна на външните сили, действащи върху нея, температурата ѝ се повишава. За система, подложена на фазов преход бавно, така че отклонението от термодинамичното равновесие може да се пренебрегне, температурата остава постоянна, тъй като системата е снабдена с латентна топлина. Обратно – загубата на топлина от една затворена система без промяна на фазата, без промяна на обема и без промяна на външните сили, действащи върху нея, намалява температурата си.Truesdell, C., Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines, Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, ISBN 0-387-07971-8, page 20.
Температура на тела в стабилно състояние, но не и в термодинамично равновесие Докато за тела, които са в техните собствени равновесни състояния, понятието температура изисква всички емпирични термометри да са в съгласие по отношение на това кое от двете тела е по-горещо или че имат еднаква температура, това изискване не е от значение за тела, които са в стабилно състояние, макар и не в термодинамично равновесие. Тогава може да се окаже, че различните емпирични термометри не са на едно мнение по отношение на това кое е по-горещото тяло, и ако това е така, поне едно от телата няма добре дефинирана абсолютна термодинамична температура. Въпреки това всяко едно тяло и всеки един подходящ емпиричен термометър може да поддържа понятията емпирична, не-абсолютна горещина и температура за подходящ набор от процеси. Това има значение за изучаването на неравновесната термодинамика.
Термодинамично аксиомно равновесие За аксиоматичното третиране на термодинамичното равновесие след 1930 г. става обичайно да се ползва нулевия закон за термодинамиката. Обичайно посоченият минималистичен вариант на такъв закон постулира, че всички тела, които са термично свързани така, че да са в топлинно равновесие, имат една и съща температура по дефиниция, но не установяват температурата като определено количество под формата на реално мащабно число.
По-обобщена версия на този закон разглежда емпиричната температура като диаграма на горещината. Докато нулевият закон позволява съществуването на много различни емпирични температурни скали, вторият закон на термодинамиката подбира единна скала, предпочитана абсолютна температура, уникална и единствена до произволно избран скален фактор, наречена термодинамична температура.Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822 – 1854, Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4, Sections 11 B, 11H, pages 306 – 310, 320 – 332.Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, third edition, Longmans, Green, London, pages 155 – 158.Tait, P.G. (1884). Heat, Macmillan, London, Chapter VII, Section 95, pages 68 – 69.Kondepudi, D. (2008). Introduction to Modern Thermodynamics, Wiley, Chichester, ISBN 978-0-470-01598-8, Section 32., pages 106 – 108. Ако вътрешната енергия се разглежда като функция на обема и ентропията на хомогенна система в термодинамично равновесие, термодинамичната абсолютна температура е частна производна на вътрешната енергия по отношение на ентропията при постоянен обем. Неговата естествена начална производна или нулева точка е абсолютната нула, при която ентропията на всяка система е най-малка. Въпреки че това е най-ниската абсолютна температура, описана от модела, третият закон на термодинамиката постулира, че абсолютната нула не може да бъде достигната от никоя физична система.
Подход към температурата в статистическата механика
Статистическата механика осигурява микроскопично тълкуване на температурата, въз основа на макроскопични системи, състоящи се от много частици, като молекули и йони от различни видове. Тя обяснява макроскопичните явления от гледна точка на механиката за молекулите и йоните и дава статистически оценки на съвместните им съединения.