Temperatura
Definición
La temperatura es una cantidad física que expresa calor y frío. Es una medida proporcional de la energía cinética promedio de los movimientos aleatorios de las partículas constituyentes de la materia (como átomos y moléculas) en un sistema. La temperatura es importante en todos los campos de las ciencias naturales, incluidas la física, la química, la ciencia de la tierra, la medicina y la biología, así como en la mayoría de los aspectos de la vida cotidiana.
La temperatura se mide con un termómetro. Un termómetro se calibra en una o más escalas de temperatura. Las escalas más comúnmente utilizadas son la escala Celsius (anteriormente llamada centígrados) (denotada ° C), la escala Fahrenheit (denotada ° F) y la escala Kelvin (denotada como K). El kelvin (con una minúscula K) es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI), en el que la temperatura es una de las siete cantidades básicas fundamentales. La escala Kelvin es ampliamente utilizada en ciencia y tecnología.
Efectos
Muchos procesos físicos se ven afectados por la temperatura, como
- propiedades físicas de los materiales, incluida la fase (sólida, líquida, gaseosa o plasmática), densidad, solubilidad, presión de vapor, conductividad eléctrica
- tasa y grado en que ocurren las reacciones químicas
- la cantidad y las propiedades de la radiación térmica emitida desde la superficie de un objeto
- la velocidad del sonido es una función de la raíz cuadrada de la temperatura absoluta
Escamas
Las escalas de temperatura difieren de dos maneras: el punto elegido como cero grados, y las magnitudes de unidades o grados incrementales en la escala.
La escala Celsius (° C) se usa para mediciones de temperatura comunes en la mayor parte del mundo. Es una escala empírica. Se desarrolló por un progreso histórico, que llevó a su punto cero 0 ° C definido por el punto de congelación del agua, con grados adicionales definidos de modo que 100 ° C era el punto de ebullición del agua, tanto a nivel del mar como a la presión atmosférica. Debido al intervalo de 100 grados, se llama escala de grados centígrados. Desde la estandarización del kelvin en el Sistema Internacional de Unidades, se ha redefinido posteriormente en términos de los puntos de fijación equivalentes en la escala de Kelvin, y por lo que un incremento de temperatura de un grado Celsius es lo mismo que un incremento de un kelvin, aunque difieren en un desplazamiento aditivo de 273.15.
Los Estados Unidos comúnmente usan la escala Fahrenheit, en la que el agua se congela a 32 ° F y hierve a 212 ° F a la presión atmosférica al nivel del mar.
Muchas mediciones científicas usan la escala de temperatura de Kelvin (símbolo de la unidad: K), nombrada en honor al físico escocés que la definió por primera vez. Es una temperatura termodinámica o absoluta. Su punto cero, 0 K , se define para que coincida con la temperatura más baja físicamente posible (llamada cero absoluto). Sus grados se definen a través de la termodinámica. La temperatura del cero absoluto se produce a 0 K = -273,15 ° C (o -459,67 ° F ), y el punto de congelación del agua a presión atmosférica a nivel del mar se produce a 273,15 K = 0 ° C .
El Sistema Internacional de Unidades (SI) define una escala y unidad para la temperatura kelvin o termodinámica utilizando la temperatura reproducible confiablemente del punto triple de agua como segundo punto de referencia (el primer punto de referencia es 0 K en el cero absoluto). El punto triple es un estado singular con su temperatura y presión únicas e invariables, junto con, para una masa fija de agua en un recipiente de volumen fijo, una división autodeterminada autónoma y estable en tres fases mutuamente contactantes, vapor, líquido , y sólido, dependiendo dinámicamente solo de la energía interna total de la masa de agua. Por razones históricas, la temperatura del punto triple del agua se fija en 273.16 unidades del incremento de medición.
Tipos
Hay una variedad de tipos de escala de temperatura. Puede ser conveniente clasificarlos como basados empírica y teóricamente. Las escalas empíricas de temperatura son históricamente más antiguas, mientras que las escalas teóricas surgieron a mediados del siglo XIX.
Empíricamente basado
Las escalas de temperatura basadas empíricamente se basan directamente en mediciones de propiedades físicas simples de los materiales. Por ejemplo, la longitud de una columna de mercurio, confinada en un tubo capilar con paredes de vidrio, depende en gran medida de la temperatura, y es la base del muy útil termómetro de mercurio en vidrio. Tales escalas son válidas solo dentro de rangos convenientes de temperatura. Por ejemplo, por encima del punto de ebullición del mercurio, un termómetro de mercurio en vidrio es impracticable. La mayoría de los materiales se expanden con el aumento de la temperatura, pero algunos materiales, como el agua, se contraen con el aumento de la temperatura en un rango específico, y luego apenas son útiles como materiales termométricos. Un material no sirve como termómetro cerca de una de sus temperaturas de cambio de fase, por ejemplo, su punto de ebullición.
A pesar de estas restricciones, los termómetros prácticos más utilizados en general son empíricos. Especialmente, se utilizó para la calorimetría, que contribuyó en gran medida al descubrimiento de la termodinámica. Sin embargo, la termometría empírica tiene serias desventajas cuando se la considera como una base para la física teórica. Los termómetros basados empíricamente, más allá de su base como simples medidas directas de las propiedades físicas ordinarias de los materiales termométricos, pueden recalibrarse, mediante el uso de un razonamiento físico teórico, y esto puede extender su rango de adecuación.
Teóricamente basado
Las escalas de temperatura basadas teóricamente se basan directamente en argumentos teóricos, especialmente los de la termodinámica, la teoría cinética y la mecánica cuántica. Se basan en las propiedades teóricas de los dispositivos y materiales idealizados. Son más o menos comparables con los dispositivos y materiales físicos prácticamente factibles. Las escalas de temperatura teóricamente basadas se utilizan para proporcionar estándares de calibración para termómetros prácticos empíricamente basados.
La escala de temperatura termodinámica fundamental aceptada es la escala Kelvin, basada en un proceso cíclico ideal previsto para un motor térmico Carnot.
Un material ideal en el que se puede basar una escala de temperatura es el gas ideal. La presión ejercida por un volumen fijo y la masa de un gas ideal es directamente proporcional a su temperatura. Algunos gases naturales muestran propiedades casi ideales en rangos de temperatura adecuados que pueden usarse para la termometría; esto fue importante durante el desarrollo de la termodinámica y todavía es de importancia práctica en la actualidad. El termómetro de gas ideal, sin embargo, no es teóricamente perfecto para la termodinámica. Esto se debe a que la entropía de un gas ideal en su cero absoluto de temperatura no es una cantidad positiva semidefinida, lo que pone al gas en violación de la tercera ley de la termodinámica. La razón física es que la ley de los gases ideales, exactamente leída, se refiere al límite de temperatura infinitamente alta y presión cero.
La medición del espectro de radiación electromagnética de un cuerpo negro tridimensional ideal puede proporcionar una medición de temperatura precisa porque la frecuencia del resplandor espectral máximo de la radiación del cuerpo negro es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro; esto se conoce como la ley de desplazamiento de Wien y tiene una explicación teórica en la ley de Planck y en la ley de Bose-Einstein.
La medición del espectro de potencia de ruido producido por una resistencia eléctrica también puede proporcionar una medición de temperatura precisa. La resistencia tiene dos terminales y es en efecto un cuerpo unidimensional. La ley de Bose-Einstein para este caso indica que la potencia de ruido es directamente proporcional a la temperatura de la resistencia y al valor de su resistencia y al ancho de banda de ruido. En una banda de frecuencia dada, la potencia de ruido tiene contribuciones iguales de cada frecuencia y se llama ruido de Johnson. Si se conoce el valor de la resistencia, entonces se puede encontrar la temperatura.
Si se emiten moléculas, átomos o electrones de un material y se miden sus velocidades, el espectro de sus velocidades a menudo obedece a una ley teórica llamada distribución de Maxwell-Boltzmann, que proporciona una medida bien fundada de las temperaturas para las cuales el la ley tiene. Todavía no se han realizado experimentos exitosos de este tipo que utilicen directamente la distribución de Fermi-Dirac para la termometría, pero quizás eso se logre en el futuro.
Enfoque termodinámico
La temperatura es una de las principales cantidades en el estudio de la termodinámica.
Escala Kelvin y definiciones termodinámicas absolutas
La escala de Kelvin se llama absoluta por dos razones. Una es que su carácter formal es independiente de las propiedades de materiales particulares. La otra razón es que su cero es en cierto sentido absoluto, ya que indica ausencia de movimiento clásico microscópico de las partículas constituyentes de la materia, de modo que tienen un calor específico limitante de cero para la temperatura cero, según la tercera ley de la termodinámica . Sin embargo, una temperatura Kelvin tiene de hecho un valor numérico definido que ha sido elegido arbitrariamente por la tradición y que depende de la propiedad de un material en particular; es simplemente menos arbitrario que las escalas relativas de "grados" como Celsius y Fahrenheit. Al ser una escala absoluta con un punto fijo (cero), solo queda un grado de libertad para la elección arbitraria, en lugar de dos como en escalas relativas. Para la escala de Kelvin en los tiempos modernos, esta elección de convención es la de establecer el punto triple de agua gas-líquido-sólido, un punto que puede reproducirse confiablemente como un fenómeno experimental estándar, con un valor numérico de 273.16 kelvins . La escala Kelvin también se llama escala termodinámica . Sin embargo, para demostrar que su valor numérico es de hecho arbitrario, es útil señalar que existe una escala de temperatura absoluta alternativa, menos utilizada, llamada escala de Rankine, hecha para alinearse con la escala Fahrenheit como Kelvin con Celsius.
La definición termodinámica de temperatura se debe a Kelvin.
Se enmarca en términos de un dispositivo idealizado llamado motor de Carnot, imaginado para definir un ciclo continuo de estados de su cuerpo de trabajo. Se cree que el ciclo funciona tan lentamente que en cada punto del ciclo el cuerpo de trabajo se encuentra en un estado de equilibrio termodinámico. Hay cuatro miembros en dicho ciclo de Carnot. El motor consta de cuatro cuerpos. El principal se llama el cuerpo de trabajo. Dos de ellos se llaman depósitos de calor, tan grandes que sus respectivas variables de no deformación no se modifican mediante la transferencia de energía en forma de calor a través de una pared permeable solo para calentar el cuerpo de trabajo. El cuarto cuerpo puede intercambiar energía con el cuerpo de trabajo solo a través del trabajo adiabático; puede llamarse el depósito de trabajo. Las sustancias y los estados de los dos depósitos de calor deben elegirse de modo que no estén en equilibrio térmico entre sí. Esto significa que deben estar a diferentes temperaturas fijas, una, etiquetada aquí con el número 1, más caliente que la otra, etiquetada aquí con el número 2. Esto se puede probar conectando los depósitos de calor sucesivamente a un cuerpo termométrico empírico auxiliar que comienza cada vez a una temperatura intermedia fija conveniente. El cuerpo termométrico debe estar compuesto de un material que tenga una relación estrictamente monótona entre la variable termométrica empírica elegida y la cantidad de trabajo isocórico adiabático que se realice sobre ella. Para resolver la estructura y el sentido de operación del ciclo de Carnot, es conveniente usar dicho material también para el cuerpo de trabajo; porque la mayoría de los materiales son de este tipo, esto no es una restricción de la generalidad de esta definición. Se considera que el ciclo de Carnot parte de una condición inicial del cuerpo de trabajo que se alcanzó al completar una compresión adiabática reversible. Desde allí, el cuerpo de trabajo está inicialmente conectado por una pared permeable solo para calentar al depósito de calor número 1, de modo que durante la primera extremidad del ciclo se expande y funciona en el depósito de trabajo. La segunda extremidad del ciclo considera que el cuerpo de trabajo se expande adiabática y reversiblemente, sin intercambiar energía como calor, sino que se transfiere más energía en forma de trabajo al depósito de trabajo. La tercera rama del ciclo ve el cuerpo de trabajo conectado, a través de una pared permeable solo al calor, al depósito de calor 2, contrayéndose y aceptando energía como trabajo desde el depósito de trabajo. El ciclo se cierra mediante compresión adiabática reversible del cuerpo de trabajo, sin transferencia de energía en forma de calor.
Con esta configuración, las cuatro extremidades del ciclo de Carnot reversible se caracterizan por las cantidades de energía transferidas, como trabajo desde el cuerpo de trabajo al depósito de trabajo, y como calor de los depósitos de calor al cuerpo de trabajo. Las cantidades de energía transferidas como calor de los depósitos de calor se miden a través de los cambios en la variable de no deformación del cuerpo de trabajo, con referencia a las propiedades previamente conocidas de ese cuerpo, las cantidades de trabajo realizadas en el depósito de trabajo y el primera ley de la termodinámica. Las cantidades de energía transferida en forma de calor, respectivamente, desde el depósito 1 y del depósito 2 pueden entonces ser denotados respectivamente Q 1 y Q 2 . Luego, las temperaturas absolutas o termodinámicas, T 1 y T 2 , de los depósitos se definen para que sean tales que
El trabajo original de Kelvin que postulaba la temperatura absoluta se publicó en 1848. Estaba basado en el trabajo de Carnot, antes de la formulación de la primera ley de la termodinámica. Kelvin escribió en su artículo de 1848 que su escala era absoluta en el sentido de que se definía "independientemente de las propiedades de cualquier tipo particular de materia". Su publicación definitiva, que establece la definición que acabo de exponer, se imprimió en 1853, un documento leído en 1851.
Esta definición se basa en la suposición física de que hay paredes fácilmente disponibles permeables solo al calor. En su definición detallada de una pared permeable solo al calor, Carathéodory incluye varias ideas. La variable de estado de no deformación de un sistema cerrado se representa como un número real. Un estado de equilibrio térmico entre dos sistemas cerrados conectados por una pared permeable solo al calor significa que una cierta relación matemática se mantiene entre las variables de estado, incluidas las respectivas variables de no deformación, de esos dos sistemas (esa relación matemática particular es considerada por Buchdahl como una declaración preferida de la ley zeroth de la termodinámica). También, refiriéndose al equilibrio de contacto térmico, "siempre que cada uno de los sistemas S 1 y S 2 se hace para alcanzar el equilibrio con un tercer sistema S 3 en condiciones idénticas, los sistemas S 1 y S 2 están en equilibrio mutuo. "Se puede ver como una reexpresión del principio establecido por Maxwell en las palabras:" Todo calor es del mismo tipo ". Bailyn también expresa esta idea física como una posible versión de la ley zeroth de la termodinámica:" Todas las paredes diatérmicas son equivalentes ". Por lo tanto, la definición actual de temperatura termodinámica descansa en la ley zeroth de la termodinámica. , esta definición actual de temperatura termodinámica también se basa en la primera ley de la termodinámica, para la determinación de las cantidades de energía transferidas en forma de calor.
Implícitamente para esta definición, la segunda ley de la termodinámica proporciona información que establece el carácter virtuoso de la temperatura así definida. Establece que cualquier sustancia que funcione que cumpla con los requisitos establecidos en esta definición conducirá a la misma proporción de temperaturas termodinámicas, que en este sentido es universal o absoluta. La segunda ley de la termodinámica también establece que la temperatura termodinámica definida de esta manera es positiva, porque esta definición requiere que los depósitos de calor no estén en equilibrio térmico entre sí, y se puede imaginar que el ciclo opera solo en un sentido si el trabajo en red debe ser suministrado al depósito de trabajo.
Los detalles numéricos se resuelven haciendo que uno de los depósitos de calor sea una celda en el punto triple del agua, que se define como que tiene una temperatura absoluta de 273.16 K. La ley zeroth de la termodinámica permite que esta definición se use para medir la temperatura absoluta o termodinámica de un cuerpo arbitrario de interés, haciendo que el otro depósito de calor tenga la misma temperatura que el cuerpo de interés.
Variabilidad intensiva
En términos termodinámicos, la temperatura es una variable intensiva porque es igual a un coeficiente diferencial de una variable extensa con respecto a otra, para un cuerpo dado. Por lo tanto, tiene las dimensiones de una relación de dos variables extensas. En termodinámica, a menudo se considera que dos cuerpos están conectados por contacto con una pared común, que tiene algunas propiedades de permeabilidad específicas. Dicha permeabilidad específica puede referirse a una variable intensiva específica. Un ejemplo es una pared diatérmica que es permeable solo al calor; la variable intensiva para este caso es la temperatura. Cuando los dos cuerpos han estado en contacto durante mucho tiempo y se han asentado en un estado estacionario permanente, las variables intensivas relevantes son iguales en los dos cuerpos; para una pared diatérmica, esta afirmación a veces se denomina la ley zeroth de la termodinámica.
En particular, cuando el cuerpo se describe estableciendo su energía interna U , una variable extensa, en función de su entropía S , también una variable extensa, y otras variables de estado V , N , con U = U ( S , V , N ), entonces la temperatura es igual a la derivada parcial de la energía interna con respecto a la entropía:
Del mismo modo, cuando el cuerpo se describe estableciendo su entropía S como una función de su energía interna U , y otras variables de estado V , N , con S = S ( U , V , N ) , entonces el recíproco de la temperatura es igual a la derivada parcial de la entropía con respecto a la energía interna:
La definición anterior, la ecuación (1), de la temperatura absoluta se debe a Kelvin. Se refiere a los sistemas cerrados a la transferencia de materia, y tiene un énfasis especial en los procedimientos directamente experimentales. Una presentación de la termodinámica de Gibbs comienza en un nivel más abstracto y trata de sistemas abiertos a la transferencia de materia; en este desarrollo de la termodinámica, las ecuaciones (2) y (3) anteriores son en realidad definiciones alternativas de la temperatura.
Equilibrio termodinámico local
Los cuerpos del mundo real a menudo no están en equilibrio termodinámico y no son homogéneos. Para el estudio por métodos de termodinámica clásica irreversible, un cuerpo generalmente se divide espacial y temporalmente conceptualmente en "células" de pequeño tamaño. Si las condiciones clásicas de equilibrio termodinámico para la materia se cumplen con una buena aproximación en dicha "célula", entonces es homogénea y existe una temperatura para ella. Si esto es así para cada "célula" del cuerpo, entonces se dice que el equilibrio termodinámico local prevalece en todo el cuerpo.
Tiene sentido, por ejemplo, decir de la variable extensa U , o de la variable extensa S , que tiene una densidad por unidad de volumen, o una cantidad por unidad de masa del sistema, pero no tiene sentido hablar de densidad de temperatura por unidad de volumen o cantidad de temperatura por unidad de masa del sistema. Por otro lado, no tiene sentido hablar de la energía interna en un punto, mientras que cuando prevalece el equilibrio termodinámico local, tiene sentido hablar de la temperatura en un punto. En consecuencia, la temperatura puede variar de un punto a otro en un medio que no está en equilibrio termodinámico global, pero en el que existe un equilibrio termodinámico local.
Por lo tanto, cuando el equilibrio termodinámico local prevalece en un cuerpo, la temperatura puede considerarse como una propiedad local variable en el espacio en ese cuerpo, y esto se debe a que la temperatura es una variable intensiva.
Enfoque de la teoría cinética
Una explicación más detallada de esto está debajo en Theoretical foundation.
La teoría cinética proporciona una explicación microscópica de la temperatura, basada en que los sistemas macroscópicos están compuestos de muchas partículas microscópicas, como moléculas e iones de varias especies, siendo las partículas de una especie todas iguales. Explica los fenómenos macroscópicos a través de la mecánica clásica de las partículas microscópicas. El teorema de equipartición de la teoría cinética afirma que cada grado clásico de libertad de una partícula que se mueve libremente tiene una energía cinética promedio de k B T / 2 donde k B denota la constante de Boltzmann. El movimiento de traslación de la partícula tiene tres grados de libertad, de modo que, excepto a temperaturas muy bajas donde predominan los efectos cuánticos, la energía cinética de traslación promedio de una partícula que se mueve libremente en un sistema con temperatura T será 3 k B T / 2 .
Es posible medir la energía cinética promedio de las partículas microscópicas constituyentes si se les permite escapar de la mayor parte del sistema. El espectro de velocidades debe medirse y el promedio calculado a partir de eso. No es necesariamente el caso de que las partículas que escapan y se miden tienen la misma distribución de velocidad que las partículas que permanecen en la mayor parte del sistema, pero a veces es posible una buena muestra.
Las moléculas, como el oxígeno (O 2 ), tienen más grados de libertad que los átomos esféricos individuales: se someten a movimientos de rotación y vibración, así como a las traducciones. El calentamiento da como resultado un aumento de la temperatura debido a un aumento en la energía cinética de traslación promedio de las moléculas. El calentamiento también causará, mediante la equipartición, que aumente la energía asociada con los modos vibratorio y rotacional. Por lo tanto, un gas diatómico requerirá más energía para aumentar su temperatura en una cierta cantidad, es decir, tendrá una capacidad de calor mayor que la de un gas monatómico.
El proceso de enfriamiento implica eliminar la energía interna de un sistema. Cuando no se puede eliminar más energía, el sistema está en cero absoluto, aunque esto no se puede lograr experimentalmente. El cero absoluto es el punto nulo de la escala de temperatura termodinámica, también llamada temperatura absoluta. Si fuera posible enfriar un sistema al cero absoluto, todo el movimiento clásico de sus partículas cesaría y estarían en completo reposo en este sentido clásico. Microscópicamente en la descripción de la mecánica cuántica, sin embargo, la materia todavía tiene energía de punto cero incluso en el cero absoluto, debido al principio de incertidumbre.
Teoría básica
La temperatura es una medida de la calidad del estado de un material. La calidad puede considerarse como una entidad más abstracta que cualquier escala de temperatura particular que la mida, y algunos escritores la denominan " sofocación" . La calidad del picor se refiere al estado del material solo en una localidad particular, y en general, aparte de los cuerpos mantenidos en un estado estable de equilibrio termodinámico, el picor varía de un lugar a otro. No es necesariamente el caso de que un material en un lugar particular se encuentre en un estado constante y casi homogéneo que le permita tener un calor o temperatura bien definidos. El picor puede representarse de forma abstracta como una variedad unidimensional. Cada escala de temperatura válida tiene su propio mapa de uno a uno en el colector de calor.
Cuando dos sistemas en contacto térmico están a la misma temperatura, no hay transferencia de calor entre ellos. Cuando existe una diferencia de temperatura, el calor fluye espontáneamente desde el sistema más caliente al sistema más frío hasta que se encuentran en equilibrio térmico. La transferencia de calor ocurre por conducción o por radiación térmica.
Los físicos experimentales, por ejemplo, Galileo y Newton, descubrieron que existen indefinidamente muchas escalas de temperatura empíricas. Sin embargo, la ley zeroth de la termodinámica dice que todos miden la misma calidad.
Cuerpos en equilibrio termodinámico
Para la física experimental, el picor significa que, cuando se comparan dos cuerpos dados en sus respectivos equilibrios termodinámicos separados, dos termómetros empíricos dados adecuadamente con lecturas numéricas de la escala acordarán cuál es el más caliente de los dos cuerpos dados, o que tienen el misma temperatura. Esto no requiere que los dos termómetros tengan una relación lineal entre sus lecturas de escala numérica, pero requiere que la relación entre sus lecturas numéricas sea estrictamente monótona. Se puede tener una sensación definida de mayor calor, independientemente de la calorimetría, de la termodinámica y de las propiedades de materiales particulares, a partir de la ley de desplazamiento de la radiación térmica de Wien: la temperatura de un baño de radiación térmica es proporcional, por una constante universal, a la frecuencia del máximo de su espectro de frecuencia; esta frecuencia siempre es positiva, pero puede tener valores que tienden a cero. La radiación térmica se define inicialmente para una cavidad en equilibrio termodinámico. Estos hechos físicos justifican una afirmación matemática de que el calor existe en una variedad ordenada de una dimensión. Este es un carácter fundamental de la temperatura y los termómetros para los cuerpos en su propio equilibrio termodinámico.
A excepción de un sistema que experimenta un cambio de fase de primer orden, como la fusión del hielo, cuando un sistema cerrado recibe calor, sin cambios en su volumen y sin cambios en los campos de fuerza externos que actúan sobre él, su temperatura aumenta. Para un sistema que experimenta tal cambio de fase tan lentamente que se puede despreciar la desviación del equilibrio termodinámico, su temperatura permanece constante a medida que el sistema recibe calor latente. Por el contrario, una pérdida de calor de un sistema cerrado, sin cambio de fase, sin cambio de volumen, y sin cambios en los campos de fuerza externos que actúan sobre él, disminuye su temperatura.
Cuerpos en un estado estable pero no en equilibrio termodinámico
Mientras que para los cuerpos en sus propios estados de equilibrio termodinámico, la noción de temperatura requiere que todos los termómetros empíricos se pongan de acuerdo en cuanto a cuál de los dos cuerpos está más caliente o si están a la misma temperatura, este requisito no es seguro para los cuerpos que están estados aunque no en equilibrio termodinámico. Entonces puede ser que diferentes termómetros empíricos no estén de acuerdo sobre cuál es el más caliente, y si esto es así, entonces al menos uno de los cuerpos no tiene una temperatura termodinámica absoluta bien definida. Sin embargo, cualquier cuerpo dado y cualquier termómetro empírico adecuado pueden apoyar nociones de calor y temperatura empíricas, no absolutas, para un rango adecuado de procesos. Esta es una cuestión de estudio en termodinámica no equilibrada.
Cuerpos que no están en un estado estable
Cuando un cuerpo no está en un estado estable, entonces la noción de temperatura se vuelve aún menos segura que para un cuerpo en un estado estable y no en equilibrio termodinámico. Esto también es materia de estudio en termodinámica no equilibrada.
Axiomática de equilibrio termodinámico
Para el tratamiento axiomático del equilibrio termodinámico, desde la década de 1930, se ha acostumbrado a referirse a una ley zeroth de la termodinámica. La versión minimalista de dicha ley postula únicamente que todos los cuerpos, que cuando están conectados térmicamente estarían en equilibrio térmico, deberían decir que tienen la misma temperatura por definición, pero por sí mismos no establece la temperatura como una cantidad expresada como un real número en una escala. Una versión más informativa físicamente de tal ley ve la temperatura empírica como una tabla en un colector de caloría. Mientras que la ley zeroth permite las definiciones de muchas escalas empíricas de temperatura diferentes, la segunda ley de la termodinámica selecciona la definición de una única temperatura absoluta preferida, única hasta un factor de escala arbitrario, de donde se llama temperatura termodinámica. Si la energía interna se considera como una función del volumen y la entropía de un sistema homogéneo en equilibrio termodinámico, la temperatura absoluta termodinámica aparece como la derivada parcial de la energía interna con respecto al volumen constante del entropía. Su origen natural, intrínseco o punto nulo es cero absoluto en el que la entropía de cualquier sistema es mínima. Aunque esta es la temperatura absoluta más baja descrita por el modelo, la tercera ley de la termodinámica postula que el cero absoluto no puede ser alcanzado por ningún sistema físico. origen intrínseco o punto nulo es cero absoluto en el que la entropía de cualquier sistema es mínima. Aunque esta es la temperatura absoluta más baja descrita por el modelo, la tercera ley de la termodinámica postula que el cero absoluto no puede ser alcanzado por ningún sistema físico. origen intrínseco o punto nulo es cero absoluto en el que la entropía de cualquier sistema es mínima. Aunque esta es la temperatura absoluta más baja descrita por el modelo, la tercera ley de la termodinámica postula que el cero absoluto no puede ser alcanzado por ningún sistema físico.
Capacidad calorífica
Cuando una transferencia de energía hacia o desde un cuerpo es solo como calor, el estado del cuerpo cambia. Dependiendo del entorno y las paredes que los separan del cuerpo, son posibles varios cambios en el cuerpo. Incluyen reacciones químicas, aumento de la presión, aumento de la temperatura y cambio de fase. Para cada tipo de cambio bajo condiciones especificadas, la capacidad de calor es la relación entre la cantidad de calor transferido y la magnitud del cambio. Por ejemplo, si el cambio es un aumento en la temperatura a volumen constante, sin cambio de fase y sin cambio químico, entonces la temperatura del cuerpo aumenta y su presión aumenta. La cantidad de calor transferido, Δ Q , dividido por el cambio de temperatura observado, Δ T, Es la capacidad de calor del cuerpo a volumen constante, C V .
Si la capacidad de calor se mide para una cantidad bien definida de sustancia, el calor específico es la medida del calor requerido para aumentar la temperatura de dicha unidad de cantidad en una unidad de temperatura. Por ejemplo, elevar la temperatura del agua en un kelvin (igual a un grado Celsius) requiere 4186 julios por kilogramo (J / kg).
Medición
La medición de la temperatura utilizando termómetros científicos modernos y escalas de temperatura se remonta al menos hasta principios del siglo XVIII, cuando Gabriel Fahrenheit adaptó un termómetro (cambiando al mercurio) y una escala desarrollada por Ole Christensen Rømer. La escala de Fahrenheit todavía se usa en los Estados Unidos para aplicaciones no científicas.
La temperatura se mide con termómetros que pueden calibrarse a una variedad de escalas de temperatura. En la mayor parte del mundo (excepto Belice, Myanmar, Liberia y los Estados Unidos), la escala Celsius se utiliza para la mayoría de los propósitos de medición de la temperatura. La mayoría de los científicos miden la temperatura usando la escala Celsius y la temperatura termodinámica usando la escala Kelvin, que es la compensación de la escala Celsius, por lo que su punto nulo es 0 K = -273.15 ° C, o cero absoluto. Muchos campos de ingeniería en los EE. UU., En particular las especificaciones de alta tecnología y federales de EE. UU. (Civiles y militares), también usan las escalas de Kelvin y Celsius. Otros campos de ingeniería en los EE. UU. También se basan en la escala Rankine (una escala Fahrenheit modificada) cuando se trabaja en disciplinas relacionadas con la termodinámica, como la combustión.
Unidades
La unidad básica de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el kelvin. Tiene el símbolo K.
Para aplicaciones cotidianas, a menudo es conveniente utilizar la escala Celsius, en la que 0 ° C corresponde muy cerca del punto de congelación del agua y 100 ° C es su punto de ebullición a nivel del mar. Debido a que las gotas de líquido comúnmente existen en las nubes a temperaturas bajo cero, 0 ° C se define mejor como el punto de fusión del hielo. En esta escala, una diferencia de temperatura de 1 grado Celsius es igual a un incremento de 1 Kelvin , pero la escala se compensa con la temperatura a la que se derrite el hielo (273,15 K).
Según un acuerdo internacional, las escalas de Kelvin y Celsius están definidas por dos puntos de fijación: el cero absoluto y el punto triple del agua del océano medio estándar de Viena, que es agua especialmente preparada con una mezcla específica de isótopos de hidrógeno y oxígeno. El cero absoluto se define como exactamente 0 K y -273,15 ° C . Es la temperatura a la que cesa todo el movimiento traslacional clásico de las partículas que componen la materia y se encuentran en completo reposo en el modelo clásico. Cuánticamente, mecánicamente, sin embargo, el movimiento de punto cero permanece y tiene una energía asociada, la energía de punto cero. La materia está en su estado fundamental y no contiene energía térmica. El punto triple del agua se define como 273.16 K y 0.01 ° C. Esta definición tiene los siguientes propósitos: fija la magnitud del kelvin como si fuera exactamente 1 parte en 273.16 partes de la diferencia entre el cero absoluto y el punto triple del agua; establece que un kelvin tiene exactamente la misma magnitud que un grado en la escala Celsius; y establece la diferencia entre los puntos nulos de estas escalas como 273.15 K ( 0 K = -273.15 ° C y 273.16 K = 0.01 ° C ).
En los Estados Unidos, la escala Fahrenheit es ampliamente utilizada. En esta escala, el punto de congelación del agua corresponde a 32 ° F y el punto de ebullición a 212 ° F. La escala de Rankine, que aún se usa en los campos de la ingeniería química en los EE. UU., Es una escala absoluta basada en el incremento de Fahrenheit.
Conversión
La siguiente tabla muestra las fórmulas de conversión de temperatura para las conversiones hacia y desde la escala Celsius.
| de Celsius | a Celsius | |
|---|---|---|
| Fahrenheit | [° F] = [° C] × / 5 + 32 | [° C] = ([° F] - 32) × / 9 |
| Kelvin | [K] = [° C] + 273,15 | [° C] = [K] - 273.15 |
| Rankine | [° R] = ([° C] + 273.15) × / 5 | [° C] = ([° R] - 491.67) × / 9 |
| Delisle | [° De] = (100 - [° C]) × / 2 | [° C] = 100 - [° De] × / 3 |
| Newton | [° N] = [° C] × / 100 | [° C] = [° N] × / 33 |
| Réaumur | [° Ré] = [° C] × / 5 | [° C] = [° Ré] × / 4 |
| Rømer | [° Rø] = [° C] × / 40 + 7.5 | [° C] = ([° Rø] - 7.5) × / 21 |
Física de plasma
El campo de la física del plasma se ocupa de fenómenos de naturaleza electromagnética que implican temperaturas muy altas. Es costumbre expresar la temperatura como energía en unidades de electronvoltios (eV) o kiloelectronvolts (keV). La energía, que tiene una dimensión diferente de la temperatura, se calcula entonces como el producto de la constante de Boltzmann y la temperatura, . Entonces, 1 eV corresponde a 11 605 K . En el estudio de QCD materia uno se encuentra de forma rutinaria temperaturas del orden de unos pocos cientos de MeV, lo que equivale a aproximadamente 10 K .
Fundamento teórico
Históricamente, hay varios enfoques científicos para la explicación de la temperatura: la descripción termodinámica clásica basada en variables empíricas macroscópicas que se pueden medir en un laboratorio; la teoría cinética de los gases que relaciona la descripción macroscópica con la distribución de probabilidad de la energía del movimiento de las partículas de gas; y una explicación microscópica basada en física estadística y mecánica cuántica. Además, los tratamientos rigurosos y puramente matemáticos han proporcionado un enfoque axiomático a la termodinámica clásica y la temperatura. La física estadística proporciona una comprensión más profunda al describir el comportamiento atómico de la materia, y deriva las propiedades macroscópicas de los promedios estadísticos de los estados microscópicos, incluidos los estados clásicos y cuánticos. En la descripción física fundamental, usando unidades naturales, la temperatura puede medirse directamente en unidades de energía. Sin embargo, en los sistemas prácticos de medición para ciencia, tecnología y comercio, como el sistema métrico moderno de unidades, las descripciones macroscópica y microscópica están interrelacionadas por la constante de Boltzmann, un factor de proporcionalidad que escala la temperatura a la energía cinética media microscópica. .
La descripción microscópica en mecánica estadística se basa en un modelo que analiza un sistema en sus partículas fundamentales de materia o en un conjunto de osciladores mecánicos o cuánticos clásicos y considera el sistema como un conjunto estadístico de microestados. Como una colección de partículas de material clásico, la temperatura es una medida de la energía media del movimiento, llamada energía cinética, de las partículas, ya sea en sólidos, líquidos, gases o plasmas. La energía cinética, un concepto de mecánica clásica, es la mitad de la masa de una partícula multiplicada por su velocidad al cuadrado. En esta interpretación mecánica del movimiento térmico, las energías cinéticas de las partículas materiales pueden residir en la velocidad de las partículas de su movimiento de traslación o vibración o en la inercia de sus modos de rotación. En gases monatómicos perfectos y, aproximadamente, en la mayoría de los gases, la temperatura es una medida de la energía cinética media de la partícula. También determina la función de distribución de probabilidad de la energía. En materia condensada, y particularmente en sólidos, esta descripción puramente mecánica es a menudo menos útil y el modelo de oscilador proporciona una mejor descripción para dar cuenta de los fenómenos mecánicos cuánticos. La temperatura determina la ocupación estadística de los microestados del conjunto. La definición microscópica de temperatura solo tiene sentido en el límite termodinámico, es decir, para grandes conjuntos de estados o partículas, para cumplir los requisitos del modelo estadístico. esta descripción puramente mecánica es a menudo menos útil y el modelo de oscilador proporciona una mejor descripción para dar cuenta de los fenómenos mecánicos cuánticos. La temperatura determina la ocupación estadística de los microestados del conjunto. La definición microscópica de temperatura solo tiene sentido en el límite termodinámico, es decir, para grandes conjuntos de estados o partículas, para cumplir los requisitos del modelo estadístico. esta descripción puramente mecánica es a menudo menos útil y el modelo de oscilador proporciona una mejor descripción para dar cuenta de los fenómenos mecánicos cuánticos. La temperatura determina la ocupación estadística de los microestados del conjunto. La definición microscópica de temperatura solo tiene sentido en el límite termodinámico, es decir, para grandes conjuntos de estados o partículas, para cumplir los requisitos del modelo estadístico.
En el contexto de la termodinámica, la energía cinética también se conoce como energía térmica. La energía térmica puede dividirse en componentes independientes atribuidos a los grados de libertad de las partículas o a los modos de osciladores en un sistema termodinámico. En general, el número de estos grados de libertad que están disponibles para la equipartición de energía depende de la temperatura, es decir, de la región de energía de las interacciones consideradas. Para los sólidos, la energía térmica se asocia principalmente con las vibraciones de sus átomos o moléculas sobre su posición de equilibrio. En un gas monatómico ideal, la energía cinética se encuentra exclusivamente en los movimientos puramente traslacionales de las partículas. En otros sistemas, los movimientos vibratorios y de rotación también contribuyen a grados de libertad.
Teoría cinética de los gases
Maxwell y Boltzmann desarrollaron una teoría cinética que proporciona una comprensión fundamental de la temperatura en los gases. Esta teoría también explica la ley de los gases ideales y la capacidad de calor observada de los gases monatómicos (o "nobles").
La ley de los gases ideales se basa en las relaciones empíricas observadas entre presión ( p ), volumen ( V ) y temperatura ( T ), y se reconoció mucho antes de que se desarrollara la teoría cinética de los gases (véanse las leyes de Boyle y Charles). La ley de los gases ideales establece:
donde n es el número de moles de gas y R = 8.314 4598 (48) J⋅mol⋅K es la constante del gas.
Esta relación nos da nuestra primera pista de que hay un cero absoluto en la escala de temperatura, porque solo se cumple si la temperatura se mide en una escala absoluta como Kelvins. La ley de los gases ideales permite medir la temperatura en esta escala absoluta utilizando el termómetro de gas. La temperatura en kelvins se puede definir como la presión en pascales de una mol de gas en un contenedor de un metro cúbico, dividido por la constante de gas.
Aunque no es un dispositivo particularmente conveniente, el termómetro de gas proporciona una base teórica esencial por la cual se pueden calibrar todos los termómetros. Como cuestión práctica, no es posible usar un termómetro de gas para medir la temperatura absoluta cero ya que los gases tienden a condensarse en un líquido mucho antes de que la temperatura llegue a cero. Sin embargo, es posible extrapolar al cero absoluto utilizando la ley de los gases ideales, como se muestra en la figura.
La teoría cinética supone que la presión es causada por la fuerza asociada con átomos individuales que golpean las paredes, y que toda la energía es energía cinética de traslación. Utilizando un sofisticado argumento de simetría, Boltzmann dedujo lo que ahora se llama la función de distribución de probabilidad de Maxwell-Boltzmann para la velocidad de las partículas en un gas ideal. A partir de esa función de distribución de probabilidad, la energía cinética promedio, E k (por partícula), de un gas ideal monoatómico es:
donde la constante de Boltzmann, k , es la constante de gas ideal dividida por el número de Avogadro, y es la velocidad media de la raíz cuadrada. Por lo tanto, la ley de los gases ideales establece que la energía interna es directamente proporcional a la temperatura. Esta proporcionalidad directa entre la temperatura y la energía interna es un caso especial del teorema de equipartición, y se mantiene solo en el límite clásico de un gas ideal. No es válido para la mayoría de las sustancias, aunque es cierto que la temperatura es una función monótona (no decreciente) de la energía interna.
Zeroth ley de la termodinámica
Cuando dos cuerpos por lo demás aislados se conectan entre sí mediante una trayectoria física rígida e impermeable a la materia, se produce una transferencia espontánea de energía en forma de calor desde el más caliente al más frío. Eventualmente alcanzan un estado de equilibrio térmico mutuo, en el cual la transferencia de calor ha cesado, y las variables de estado respectivas de los cuerpos se han estabilizado para volverse inmutables.
Una afirmación de la ley zeroth de la termodinámica es que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces también están en equilibrio térmico entre sí.
Esta afirmación ayuda a definir la temperatura, pero no completa la definición por sí misma. Una temperatura empírica es una escala numérica para el calor de un sistema termodinámico. Tal calor se puede definir como existente en una variedad unidimensional, que se extiende entre caliente y frío. A veces se afirma que la ley zeroth incluye la existencia de una variedad de calor universal única y de escalas numéricas en ella, a fin de proporcionar una definición completa de la temperatura empírica. Para ser adecuado para la termometría empírica, un material debe tener una relación monótona entre el picor y alguna variable de estado fácilmente medible, como la presión o el volumen, cuando se fijan todas las demás coordenadas relevantes. Un sistema excepcionalmente adecuado es el gas ideal, que puede proporcionar una escala de temperatura que coincida con la escala Kelvin absoluta.
Segunda ley de la termodinámica
En la sección anterior, ciertas propiedades de la temperatura se expresaban mediante la ley zeroth de la termodinámica. También es posible definir la temperatura en términos de la segunda ley de la termodinámica que se ocupa de la entropía. La segunda ley establece que cualquier proceso dará como resultado ningún cambio o un aumento neto en la entropía del universo. Esto se puede entender en términos de probabilidad.
Por ejemplo, en una serie de lanzamientos de monedas, un sistema perfectamente ordenado sería aquel en el que cada lanzamiento sale en forma de cabeza o cada lanzamiento surge en cruz. Esto significa que para un conjunto perfectamente ordenado de lanzamientos de monedas, solo hay un conjunto de resultados posibles: el conjunto en el que el 100% de los lanzamientos son iguales. Por otro lado, existen múltiples combinaciones que pueden dar lugar a sistemas desordenados o mixtos, donde algunas fracciones son cabezas y las colas restantes. Un sistema desordenado puede ser 90% de cabezas y 10% de colas, o podría ser 98% de cabezas y 2% de colas, etcétera. A medida que aumenta el número de lanzamientos de monedas, aumenta el número de combinaciones posibles correspondientes a sistemas ordenados imperfectamente. Para una gran cantidad de lanzamientos de monedas, las combinaciones a ~ 50% de cabezas y ~ 50% de colas domina y la obtención de un resultado significativamente diferente de 50/50 se vuelve extremadamente improbable. Por lo tanto, el sistema naturalmente progresa a un estado de máximo desorden o entropía.
Se ha afirmado anteriormente que la temperatura rige la transferencia de calor entre dos sistemas y se acaba de demostrar que el universo tiende a progresar para maximizar la entropía, lo que se espera de cualquier sistema natural. Por lo tanto, se espera que haya alguna relación entre la temperatura y la entropía. Para encontrar esta relación, primero se considera la relación entre el calor, el trabajo y la temperatura. Un motor de calor es un dispositivo para convertir la energía térmica en energía mecánica, lo que resulta en la realización del trabajo, y el análisis del motor térmico de Carnot proporciona las relaciones necesarias. El trabajo de un motor térmico corresponde a la diferencia entre el calor puesto en el sistema a alta temperatura, q H y el calor expulsado a baja temperatura, q C. La eficiencia es el trabajo dividido por el calor puesto en el sistema o:
donde w cy es el trabajo realizado por ciclo. La eficiencia depende sólo de q C / q H . Debido q C y q H corresponden a la transferencia de calor a las temperaturas T C y T H , respectivamente, q C / q H debe ser alguna función de estas temperaturas:
El teorema de Carnot establece que todos los motores reversibles que funcionan entre los mismos depósitos de calor son igualmente eficientes. Por lo tanto, un motor de calor que opera entre T 1 y T 3 debe tener la misma eficiencia como uno que consta de dos ciclos, uno entre T 1 y T 2 , y el segundo entre T 2 y T 3 . Esto solo puede ser el caso si:
lo que implica:
Dado que la primera función es independiente de T 2 , esta temperatura debe cancelarse en el lado derecho, lo que significa que f ( T 1 , T 3 ) tiene la 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 ( T 1 ) / g( T 2 ) • g ( T 2 ) / g ( T 3 ) = g ( T 1 ) / g ( T 3 )), donde g es una función de una sola temperatura. Ahora se puede elegir una escala de temperatura con la propiedad de que:
Sustituyendo la Ecuación 4 en la Ecuación 2 se obtiene una relación para la eficiencia en términos de temperatura:
Para T C = 0 K, la eficiencia es 100% y esa eficiencia es mayor que 100% por debajo de 0 K. Como una eficiencia superior al 100% viola la primera ley de la termodinámica, esto implica que 0 K es la temperatura mínima posible. De hecho, la temperatura más baja jamás obtenida en un sistema macroscópico fue de 20 nK, que se logró en 1995 en el NIST. Restar el lado derecho de la Ecuación 5 de la parte media y reorganizar da:
donde el signo negativo indica calor expulsado del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado, S , definida por:
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 se describió anteriormente. Reorganizar la ecuación 6 proporciona una nueva definición de temperatura en términos de entropía y calor:
Para un sistema, donde la entropía S ( E ) es una función de su energía E , la temperatura T viene dada por:
- ,
es decir, el recíproco de la temperatura es la tasa de aumento de la entropía con respecto a la energía.
Definición de mecánica estadística
La mecánica estadística define la temperatura en función de los grados de libertad fundamentales de un sistema. La ecuación (10) es la relación definitoria de la temperatura. Eq. (9) puede derivarse de los principios que subyacen a la relación termodinámica fundamental.
Temperatura generalizada a partir de estadísticas de partículas individuales
Es posible extender la definición de temperatura incluso a sistemas de pocas partículas, como en un punto cuántico. La temperatura generalizada se obtiene considerando conjuntos de tiempo en lugar de conjuntos de configuración y espacio dados en mecánica estadística en el caso del intercambio térmico y de partículas entre un sistema pequeño de fermiones ( N incluso menor que 10) con un sistema de ocupación simple / doble. El gran conjunto cuántico canónico finito, obtenido bajo la hipótesis de ergodicity y orthodicity, permite expresar la temperatura generalizada a partir de la relación entre el tiempo promedio de ocupación y el sistema de ocupación simple / doble:
donde E F es la energía de Fermi. Esta temperatura generalizada tiende a la temperatura normal cuando N va al infinito.
Temperatura negativa
En las escalas de temperatura empírica, que no están referenciadas al cero absoluto, una temperatura negativa es una debajo del punto cero de la escala utilizada. Por ejemplo, el hielo seco tiene una temperatura de sublimación de -78,5 ° C que es equivalente a -109,3 ° F . En la escala Kelvin absoluta, sin embargo, esta temperatura es de 194.6 K. En la escala absoluta de temperatura termodinámica, ningún material puede tener una temperatura menor o igual a 0 K, ambas prohibidas por la tercera ley de la termodinámica.
La temperatura se define básicamente para un cuerpo en su propio estado de equilibrio termodinámico interno, y en esta definición, en una escala absoluta, siempre es positivo. En una aparente contradicción de esta regla confiable y válida, una llamada "temperatura absoluta negativa" puede definirse aproximadamente para un componente de un cuerpo que no está en su propio estado de equilibrio termodinámico interno: un componente puede tener una aproximación negativa " temperatura "mientras que el resto de los componentes del cuerpo tienen temperaturas aproximadas positivas. Tal situación de no equilibrio es transitoria en el tiempo o es mantenida por factores externos que conducen un flujo de energía a través del cuerpo de interés. Un ejemplo de tal componente es un sistema de giro dentro de un cuerpo, como sigue.
En la descripción mecánica cuántica de los sistemas de espín nuclear y electrónico que tienen un número limitado de estados posibles, y por lo tanto un límite superior discreto de energía que pueden alcanzar, es posible obtener una temperatura negativa, que numéricamente es menor que el cero absoluto. Sin embargo, esta no es la temperatura macroscópica del material, sino la temperatura de grados de libertad muy específicos, que están aislados de otros y no intercambian energía en virtud del teorema de la equipartición.
Se logra experimentalmente una temperatura negativa con técnicas de radiofrecuencia adecuadas que provocan una inversión de la población de los estados de espín desde el estado fundamental. A medida que la energía en el sistema aumenta con la población de los estados superiores, la entropía aumenta también, a medida que el sistema se vuelve menos ordenado, pero alcanza un valor máximo cuando los giros se distribuyen uniformemente entre los estados terrestres y excitados, después de lo cual comienza a disminuir , una vez más logrando un estado de orden superior a medida que los estados superiores comienzan a llenarse exclusivamente. En el punto de máxima entropía, la función de temperatura muestra el comportamiento de una singularidad, porque la pendiente de la función de entropía disminuye a cero al principio y luego se vuelve negativa. Como la temperatura es la inversa de la derivada de la entropía, la temperatura va formalmente al infinito en este punto, y cambia a infinito negativo a medida que la pendiente se vuelve negativa. A energías superiores a este punto, el grado de libertad de giro presenta, por lo tanto, formalmente una temperatura termodinámica negativa. A medida que la energía aumenta más por la población continuada del estado excitado, la temperatura negativa se aproxima a cero asintóticamente. A medida que la energía del sistema aumenta en la inversión de población, un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto, sino que tiene una energía más alta que a temperatura positiva, y puede decirse que de hecho es más caliente a temperaturas negativas. Cuando se pone en contacto con un sistema a una temperatura positiva, la energía se transferirá del régimen de temperatura negativa a la región de temperatura positiva. el grado de libertad de giro por lo tanto exhibe formalmente una temperatura termodinámica negativa. A medida que la energía aumenta más por la población continuada del estado excitado, la temperatura negativa se aproxima a cero asintóticamente. A medida que la energía del sistema aumenta en la inversión de población, un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto, sino que tiene una energía más alta que a temperatura positiva, y puede decirse que de hecho es más caliente a temperaturas negativas. Cuando se pone en contacto con un sistema a una temperatura positiva, la energía se transferirá del régimen de temperatura negativa a la región de temperatura positiva. el grado de libertad de giro por lo tanto exhibe formalmente una temperatura termodinámica negativa. A medida que la energía aumenta más por la población continuada del estado excitado, la temperatura negativa se aproxima a cero asintóticamente. A medida que la energía del sistema aumenta en la inversión de población, un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto, sino que tiene una energía más alta que a temperatura positiva, y puede decirse que de hecho es más caliente a temperaturas negativas. Cuando se pone en contacto con un sistema a una temperatura positiva, la energía se transferirá del régimen de temperatura negativa a la región de temperatura positiva. la temperatura negativa se aproxima a cero asintóticamente. A medida que la energía del sistema aumenta en la inversión de población, un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto, sino que tiene una energía más alta que a temperatura positiva, y puede decirse que de hecho es más caliente a temperaturas negativas. Cuando se pone en contacto con un sistema a una temperatura positiva, la energía se transferirá del régimen de temperatura negativa a la región de temperatura positiva. la temperatura negativa se aproxima a cero asintóticamente. A medida que la energía del sistema aumenta en la inversión de población, un sistema con una temperatura negativa no es más frío que el cero absoluto, sino que tiene una energía más alta que a temperatura positiva, y puede decirse que de hecho es más caliente a temperaturas negativas. Cuando se pone en contacto con un sistema a una temperatura positiva, la energía se transferirá del régimen de temperatura negativa a la región de temperatura positiva.
Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/TemperatureEjemplos
| Temperatura | Emitancia máxima radiación de cuerpo negro wavelengthof | ||
|---|---|---|---|
| Kelvin | Celsius | ||
| Cero absoluto (precisamente por definición) | 0 K | -273.15 ° C | no se puede definir |
| Temperatura más fría obtenida | 100 pK | -273.149 999 999 900 ° C | 29,000 km |
| Condensado de Bose-Einstein más frío | 450 pK | -273.149 999 999 55 ° C | 6.400 km |
| Un millikelvin (precisamente por definición) | 0.001 K | -273.149 ° C | 2.897 77 m (radio, banda de FM) |
| Fondo de microondas cósmico (medición de 2013) | 2.7260 K | -270.424 ° C | 0.00106301 m (microondas de longitud de onda milimétrica) |
| Punto triple de agua (precisamente por definición) | 273.16 K | 0.01 ° C | 10,608.3 nm (IR de longitud de onda larga) |
| Punto de ebullición del agua | 373.1339 K | 99.9839 ° C | 7,766.03 nm (IR de longitud de onda media) |
| Punto de fusión del hierro | 1811 K | 1538 ° C | 1,600 nm (infrarrojo lejano) |
| Lampara incandescente | 2500 K | ≈2,200 ° C | 1.160 nm (infrarrojo cercano) |
| Superficie visible del sol | 5,778 K | 5,505 ° C | 501.5 nm (luz verde-azul) |
| Lightning boltchannel | 28 kK | 28,000 ° C | 100 nm (luz ultravioleta lejana) |
| Núcleo de Sun | 16 MK | 16 millones de ° C | 0.18 nm (rayos X) |
| Arma termonuclear (temperatura máxima) | 350 MK | 350 millones de ° C | 8.3 × 10 nm (rayos gamma) |
| Máquina de Sandia National Labs'Z | 2 GK | 2 mil millones ° C | 1.4 × 10 nm (rayos gamma) |
| Núcleo de una gran estrella en su último día | 3 GK | 3 mil millones de ° C | 1 × 10 nm (rayos gamma) |
| Fusionando el sistema binario de neutrones | 350 GK | 350 mil millones ° C | 8 × 10 nm (rayos gamma) |
| Relativistic HeavyIon Collider | 1 TK | 1 billón ° C | 3 × 10 nm (rayos gamma) |
| Las colisiones de protn vsnucleus del CERN | 10 TK | 10 billones de ° C | 3 × 10 nm (rayos gamma) |
| Universo 5.391 × 10 safter el Big Bang | 1.417 × 10 K | 1.417 × 10 ° C | 1,616 × 10 nm (longitud de Planck) |
- Para el agua del océano medio estándar de Viena en una atmósfera estándar (101.325 kPa) cuando se calibra estrictamente según la definición de dos puntos de la temperatura termodinámica.
- El valor de 2500 K es aproximado. La diferencia de 273.15 K entre K y ° C se redondea a 300 K para evitar una precisión falsa en el valor Celsius.
- Para un verdadero cuerpo negro (que los filamentos de tungsteno no son). La emisividad del filamento de tungsteno es mayor en longitudes de onda más cortas, lo que hace que aparezcan más blancas.
- La temperatura efectiva de la fotosfera. La diferencia de 273.15 K entre K y ° C se redondea a 273 K para evitar una precisión falsa en el valor Celsius.
- La diferencia de 273.15 K entre K y ° C está dentro de la precisión de estos valores.
- Para un verdadero cuerpo negro (que el plasma no era). La emisión dominante de la máquina Z se originó a partir de 40 MK de electrones (emisiones de rayos X blandos) dentro del plasma.