Bazele teoretice ale conceptului de temperatură

Definiția temperaturii pe baza principiului zero

În timp ce majoritatea oamenilor au o înțelegere de bază a conceptului de temperatură, definiția formală este destul de complicată. Inainte de a ajunge la o definiție oficială, să luăm în considerare conceptul de echilibru termic. În cazul în care două sisteme închise cu volume fixe sunt aduse împreună, astfel încât să fie în contact termic, pot avea loc modificări în proprietățile celor două sisteme. Aceste schimbări se datorează transferului de căldură între sisteme. Atunci când se ajunge la o stare în care nu apar modificări ulterioare, sistemele sunt în echilibru termic.

O bază pentru definirea temperaturii poate fi obținută din principiul zero a termodinamicii, care prevede că dacă două sisteme, A și B, sunt în echilibru termic, și un al treilea sistem C este în echilibru termic cu sistemul A atunci sistemele B și C vor fi, de asemenea, în echilibru termic. Acesta este un fapt empiric, pe baza observării, și nu teorie. Deoarece A, B, și C sunt în echilibru termic, este rezonabil să spunem că fiecare dintre aceste sisteme partajează o valoare comună a unor proprietăți. Numim această proprietate temperatură.

În general, nu este convenabil să plasăm oricare două sisteme arbitrare în contact termic pentru a vedea dacă acestea sunt în echilibru termic și, astfel, au aceeași temperatură. Prin urmare, este util să se stabilească o scară de temperatură în funcție de proprietățile unui anumit sistem de referință. Apoi, un dispozitiv de măsurare poate fi calibrat în funcţie de proprietățile sistemului de referință și utilizat pentru a măsura temperatura altor sisteme. Un astfel de sistem de referință este o cantitate fixă de gaz. Legea lui Boyle indică faptul că produsul a presiunii și a volumului (P×V) a unui gaz este direct proporțională cu temperatura. Acest lucru poate fi exprimat prin legea gazului ideal ca:

PV = nRT (1)

unde T este temperatura, n este cantitatea de gaz (numărul de moli) și R este constanta gazului ideal. Astfel, se poate defini o scală pentru temperatură pe bază de presiunea și volumul gazului corespunzătoare temperaturii. În practică, o astfel de termometru cu gaz nu este foarte convenabil, dar pot fi calibrate alte instrumente de măsurare la această scară.

Ecuația 1 indică faptul că pentru un volum fix de gaz, presiunea crește cu creșterea temperaturii. Presiunea este doar o măsură a forței aplicate de gaz pe pereții recipientului și este legată de energia sistemului. Astfel, se poate observa că o creștere a temperaturii corespunde unei creșteri a energiei termice a sistemului. Când două sisteme de temperatură diferite sunt puse în contact termic, temperatura sistemului mai fierbinte scade, ceea ce indică faptul că căldura părăsește acest sistem, în timp ce sistemul mai rece câștigă căldură și crește temperatura. Astfel căldură circulă întotdeauna dintr-o regiune de temperatură ridicată într-o regiune de temperatură mai scăzută și este diferența de temperatură care conduce transferul de căldură între cele două sisteme.

Definiția temperaturii pe baza celui de al doilea principiu

Temperatura în secțiunea anterioară a fost definită pe baza principiului zero al termodinamicii. Este de asemenea posibil să se definească temperatura pe baza celui de al doilea principiu al termodinamicii, care se ocupă cu entropia. Entropia este o măsură a dezordinii într-un sistem. Al doilea principiu prevede că orice proces va duce la nicio schimbare sau o creștere netă a entropiei universului. Acest lucru poate fi înțeles în termeni de probabilitate. Luați în considerare o serie de aruncări de monede. Un sistem perfect ordonat ar fi unul în care fiecare ban va cădea fie ban fie marcă. Pentru orice număr de aruncări de monede, există doar o singură combinație de rezultate corespunzătoare acestei situații. Pe de altă parte, există mai multe combinații care pot duce la sisteme dezordonate sau mixte, unde unele monezi sunt ban și altele sunt marcă. Pe măsură ce numărul de monede aruncate crește, numărul de combinații corespunzătoare sistemului imperfect crește. Pentru un număr foarte mare de aruncări de monede, numărul de combinații corespunzătoare de ~ 50% ban și ~ 50% marcă, domină și obținerea unui rezultat semnificativ diferit de cel de 50/50 devine extrem de improbabil. Astfel, sistemul progresează în mod natural la o stare de dezordine sau entropie maximă.

Acest text este disponibil sub licența Creative Commons cu atribuire și distribuire în condiții identice (CC BY-SA 3.0).