Temperatura

Temperatura (oznaka t, T, τ ili θ) je mera zagrejanosti tela. Temperatura je fizička osobina sistema koja leži u suštini našeg osećaja za hladno i toplo, te se za telo koje ima višu temperaturu kaže da je toplije, a za telo koje ima nižu temperaturu kaže da je hladnije.

Temperatura idealnog gasa je mera prosečne kinetičke energije molekula.

Toplotne vibracije delova belančevine: amplituda vibracija raste s temperaturom.

Prosečne godišnje temperature na Zemlji.

Prosečna temperatura površine Zemlje je oko 288 K (14 °C).

Temperatura Sunčeve površine (fotosfera) je 5 778 K (5 505 °C).

Galilejev termometar.

Fizička makroskopska definicija temperature je da temperatura fizička veličina koja određuje tok toplote između dva objekta koji se nalaze u termalnom kontaktu, odnosno dva objekta koja nisu izolovana za razmenu toplote. Temperatura je jedna od osnovnih fizičkih veličina u Međunarodnom sistemu jedinica, koja opisuje toplotno stanje i sposobnost tela ili materije da razmenjuju toplotu s okolinom. Sama temperatura ne može prelaziti s tela na telo, prelazi toplota, a posledica toga je da se temperature ta dva tela izjednačavaju.

Fizička mikroskopska definicija temperature je da je temperatura merilo srednje kinetičke energije čestica u materiji po stepenu slobode. Dakle, temperatura daje informaciju o unutrašnjem atomskom i molekulskom kretanju mnoštva čestica koje čine makroskopski sistem. Iz toga je jasno da se temperatura može definisati samo za veliki broj čestica. Ona je kolektivna osobina makroskopske materije. Bez obzira na to da se temperatura nalazi među osnovnim fizičkim veličinama u Međunarodnom sistemu jedinica, temperatura nije fundamentalna veličina zbog toga što se njena vrednost dobija iz usrednjavanja kinetičke energije čestica koje čine makroskopski sistem.

Empirijska temperatura (oznaka t) određuje se merenjem pojedinih svojstava (na primer dužine stuba žive u staklenoj cevi, merenjem pritiska u gasnom termometru, merenjem brzine zvuka u akustičnom gasnom termometru, itd.) termometrijskog tela.

Termodinamička temperatura (oznaka T) određuje se osnovnim zakonima termodinamike. Merna jedinica termodinamičke temperature jeKelvin (K). Kelvinova skala za merenje temperature se naziva apsolutna skala, a postoji veliki broj drugih mernih skala koje su se istorijski koristile za merenje temperature. Danas su se u svakodnevnom životu zadržala Celzijusova merna skala sa Celzijusovim stepenom ( °C) kao mernom jedinicom, i Farenhajtova merna skala (u SAD i na Jamajci) sa mernom jedinicom Farenhajtovim stepenom (°F).

Apsolutna temperatura određuje se polazeći od najniže moguće temperature u prirodi, temperature apsolutne nule, tako da se nekoj referentnoj temperaturi, koja se može tačno određivati, dogovorom propiše određena vrednost. Temperatura apsolutne nule je definisana kao temperatura na kojoj je entropija sistema nula.

U makroskopskom smislu, temperatura je intenzivna osobina sistema, što znači da ne zavisi od količine materijala u sistemu. (Temperatura cigle ista je kao i njene polovine. Intenzivne osobine su isto pritisak i gustina.) Nasuprot temperaturi, masa i zapremina su ekstenzivne osobine, dakle, osobine koje direktno zavise od količine materije. (Masa polovine cigle duplo je manja od mase cele cigle.)

Definicija

Temperatura u svom najosnovnijem smislu je definisana mikroskopski pomoću termodinamike i statističke mehanike.

Molekuli u telima ne miruju, nego se nalaze u stalnom kretanju, čija brzina može biti varirati od velikih do malih brzina. Molekuli koje čine sistem koji se nalazi u čvrstom agregatnom stanju se slabo se kreću, dok se molekuli gasa kreću vrlo velikim brzinama. Što se telo više zagreva, molekuli se sve brže kreću i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekuli međusobno udaljavaju, pa se čvrsto telo zagrevanjem topi i prelazi u tečno agregatno stanje. Tečno telo zagrejavanjem prelazi u gasovito agregatno stanje, kao što na primer voda prelazi u vodenu paru.

Klauzijusova relacija

Inverz temperature sistema koji se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži je definisan Klauzijusovom relacijom kao promena entropije sistema $dS$izazvana infinitezimalne promenom toplote sistema $\delta Q$u procesu koji je reverzibilan i kvazi-statičan:

$d{S}={\frac {\delta Q}{T}}$

Nasuprot entropiji i toploti koje se mogu definisati za makroskopski sistem i kada je daleko od termodinamičke ravnoteže, temperatura može da se definiše samo za sistem koji se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži.

Klauzijusova relacija je istorijski prva statistička definicija temperature. Klauzijusova relacija ima značenje mikroskopski ili diferencijalno formulisanog Drugog zakona termodinamike. Inverz temperature ima ulogu integracionog faktora u integralnom obliku Drugog zakona termodinamike:

$S={\frac {Q}{T}}$

Fundamentalna jednačina

Temperatura sistema koji se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži se može izraziti i promenom unutrašnje energije sistema $dU$kojom se izazove promena entropije sistema $dS$, pri nepromenjenom broju čestica koje sačinjavaju sistem i na fiksnoj zapremini:

${\frac {1}{T}}=\left({\frac {\partial S}{\partial U}}\right)_{N,V}$

Ova jednačina se naziva fundamentalnom relacijom u termodinamici i povezuje tri funkcije stanja sistema: temperaturu, unutrašnju energiju sistema i entropiju.

Iz fundamentalne jednačine se vidi da porast unutrašnje energije dovodi do porasta temperature. U sistemima sa fiksnom temperaturom i fiksnom zapreminom u kojima se definiše fizička veličina entalpija, veća fiksna vrednost temperature proporcionalna je i većoj entalpiji.

Makroskopski gledano, među sistemima koji su na istoj temperaturi, nema protoka toplote. Međutim, kada se javi temperaturska razlika, toplota počinje da teče iz sistema sa višom temperaturom ka sistemu sa nižom, dok se ne dostigne toplotna ravnoteža.

Istorija

Vidi još: Termoskop

Prvi korak u definisanju temperature bio je izum termometra koji je omogućivao merenja i upoređivanje toplotnog stanja različitih tela. Taj merni instrument morao je da bude reverzibilan, to jest da se vrati nakon prestanka delovanja toplote u početno stanje, te da pokazuje isti učinak za jednaka toplotna stanja različitih tela.

Prvi instrument koji je vodio ka merenju temperature bio je termoskop, koga je osmislio i napravio Galileo Galilej 1592. godine. Termoskop nije pravi termometar zato što nema mernu skalu za određivanje vrednosti temperature. Rad termoskopa se zasniva na toplotnom širenju gasa. Galilejevom otkriću termoskopa prethodilo je interesovanje žitelja njegovog kraja za novootkrivenu pojavu da se u posudi u obliku slova "J" napunjenom tečnošću i zatvorenom na jednom kraju, nivo tečnosti podiže i spušta tokom dana. To kretanje tečnosti u vodi je pripisano uticaju Meseca na isti način na koji Mesec deluje na pojavu plime i oseke. Galileo Galilej je u stvari shvatio i pokazao konstruišući termoskop da se nivo tečnosti vode podiže i spušta usled podizanja i spuštanja temperature. Neki dokumenti pokazuju da Galilej u stvari nije sam ni konstruisao termoskop, već da ga je prilagodio od kolege Santorija iz Padove, čitajući delo Pneumatici od inženjera Herona Aleksandrijskog koji je živeo u 1. veku n. e. Santorijo iz Padove je pisao o potrebi izuma termometra, uređaja za merenje vrednosti temperature sa odgovarajućom skalom.

U idućim godinama razmatrala se potreba univerzalne temperaturne skale kako bi se mogla uporediti dva merenja. Problem je predstavljala razlika pritisaka na različitim mestima u zavisnosti od geografskog položaja. Pokazalo se najkorisnije da se temperaturni razmak između dva određena toplotna stanja nekoga tela uzme kao osnovica temperaturne skale, koja se onda može podeliti na povoljan broj delova (stepeni). Uzimajući dve određene tačke umesto jedne, jednoznačno se određuje merna jedinica iskustvene (empirijske) temperature.

Iako je postojala samo desetak godina, ključna institucija u istoriji termometara bila je institucija Akademija Eksperimenata (ita. Accademia del Cimento) u Firenci. Posetioci institucije su zabeležili da su u Akademiji razni termometri (termometri za merenje temperature vazduha, za merenje temperature tečnosti, termometri za kupatila) bili izloženi kao umetnička dela u galeriji. Prvi termometar, koji je omogućivao preciznija merenja temperature, izumeo je Ferdinando II Mediči 1654. godine kao jedan od članova Akademije Eksperimenata. Termometar je bio napravljen od stakla i imao je 360 podeoka, a za mernu jedinicu za temperaturu uzet je stepen. Ovakvu skalu Ferdinando je uveo po ugledu na pun krug koji ima 360 stepeni. Kao radno telo u većini staklenih termometara napravljenih u to vreme koristio se destilovani alkohol. Ovakvi termometri nisu najbolje radili na krajevima skale, zbog toga što su kod alkohola i tačka ključanja i tačka mržnjenja niži nego kod vode. Dodatni problem u merenju ovakvim termometrom je bio u tome što je gustina alkohola varirala od jednog do drugog termometara. Uprkos nedostacima, zbog kvalitetne proizvodnje, Medičijevi stakleni termometri sa alkoholom kao radnim telom, raširili su se i koristili širom Evrope. Iako su članovi Akademije radili na prevazilaženju tehničkih nedostataka kod aktuelnih termometara, zbog političke situacije Akademija je zatvorena 1668. godine.

Robert Huk koji je pokušavao da unapredi stakleni alkoholni termometar, predložio je i tačku mržnjenja vode kao referentnu tačku za merenje temperature. U to vreme ovakav predlog jeste bio revolucionaran, zato što su i veliki naučnici kao astronom Edmund Halej (po kom je nazvana Halejeva kometa) smatrali da voda mrzne na različitim temperaturama u različitim mestima. Pitanje fiksnih tačaka za merenje temperature smatralo se za vrlo važnim naučnim pitanjem tog doba i privuklo je pažnju mnogih naučnika, između ostalog i Isaka Njutna.

Iako je imao dosta pogrešnih shvatanja o temperaturnoj skali (smatrao je na primer da se referentna tačka uopšte ne može definisati, već da se može definisati samo interval između dve temperature), Isak Njutn je značajno doprineo razvoju termometara po pitanju radnog tela. Njutnov termometar je kao radno telo koristio laneno ulje i nije bio jednostavan za korišćenje, ali doprineo je razvoju termometara po pitanju radne supstance. Interesantno je da su i Ferdinand || Mediči i Robert Huk pokušavali da zamene alkohol za tečnom živom kao radnim telom u termometru, ali su obojica odbacila ove ideje i nastavili da rade sa alkoholom. Kasnije će se pokazati da je upravo ovaj korak zamene alkohola sa živom bio ključan za konstrukciju preciznijeg i pouzdanijeg termometra.

Dalji razvoj termometara unapredio je francuski fizičar Gijom Amonton (koji je bio gluv od rođenja). On je privukao pažnju tadašnjih uglednih naučnika Kraljevskog društva u Londonu kada je 1687. godine predložio termometre sa dve različite radne tečnosti kako bi se vrednost temperature odredila reproducibilnije. Njegov glavni doprinos razvoju termometara je bilo otkriće da kada toplotom od vatre ugreje gas u termometru, nastaće toplotno širenje gasa do tačno određene zapremine, a takođe je pokazao da je tačka temperature ključanja vode bila nezavisna od odnosa zapremine vode i gasa u staklenoj posudi, te je ta temperatura bila dobra referentna vrednost za fiksnu tačku termometra. Kako razlika pritisaka na različitim geografskim položajima ne bi dovela do razlike u merenju, Gijom Amonton je prvi put napravio termometar sa zapečaćenim staklom. On je doprineo razumevanju rada termometra i oštrom kritikom anonimnog rada Prelazi objavljenog 1701. godine ispred Kraljevskog društva koji se ispostavio da je rad Isaka Njutna. Amonton je razmišljao o tome kako bi se tečnost ponašala na drastično nižim temperaturama i 1703. godine je objavio rad u kojem je pokazao proporcionalnost:

$pV\sim T$

koja je u stvari jednačina stanja idealnog gasa i na osnovu koje je zaključio da je potpuno odsustvo toplote nemoguće, što je današnja verzija Trećeg principa termodinamike. On je temperaturu apsolutne nule shvatio kao teoretsku i nedostižnu vrednost, kao što je i danas razumemo.

Merne jedinice temperature

Postoji više mernih jedinica za temperaturu. Istorijski je postojao veliki broj različitih temperaturnih skala, kao što su Kelvinova, Celzijusova, Farenhajtova, Rankinova, Deliliova, Njutnova, Reamurova, Romerova, itd. Među njima, danas su se u svakodnevnom životu zadržale Farenhajtova skala (koja se danas koristi u SAD i na Jamajci, a bila je korišćena u većini zemalja engleskog govornog područja do [[1970-e|1970.ih godina]]) i Celzijusova skala (koja se danas koristi u ostatku sveta).

Pretvaranje brojevnih vrednosti uobičajenih temperaturnih skala su date sledećim formulama:

K = °C + 273,15

°C = 5/9 · (°F - 32)

°F = °C/(5/9) + 32

Farenhajtova skala

Vidi još: Farenhajt

Farenthajtova skala je nazvana po Danijelu Farenhajtu koji se bavio proizvodnjom termometara. On je istorijski bio prvi koji je u svojim termometrima su za merenje temperature koristio živu u tečnom agregatnom stanju koja ima visok koeficijent ekspanzije. Svoju temperaturnu mernu skalu je predložio 1724. godine . U odnosu na do tada veliko odstupanje među postojećim termometarskim skalama, Farenhajt je pomoću živinog termometra kvalitetne produkcije mogao da postigne veću preciznost merenja i bolju reproducibilnost skale, što je dovelo do širokog prihvatanja njegove temperaturne merne skale. Na njegovoj skali 0 °F označava najveću zimu koja je zabeležena u Gdanjsku 1709. godine. Tačka mržnjenja vode je određena vrednošću od 32 °F, a tačka ključanja vode je na 212 °F. Razlika između tačke mržnjenja i ključanja vode od 180 °F nije slučajna, već je odabrana namerno. Mržnjenje i ključanje kao dva suprotna pojma odvojena su brojem od 180 stepeni koji odgovara uglom između dve najudaljenije tačke na krugu.

Celzijusova skala

Vidi još: Celzijus

Anders Celzijus je 1742. godine predložio temperaturnu skalu koja danas po njemu nosi ime. Interesantno je da je on predložio da nula temperature na njegovoj skali bude temperatura na kojoj voda ključa, a da 100 stepeni bude vrednost temperature na kojoj se voda ledi. Vremenom skala je prihvaćena, ali su dodeljene vrednosti temperature 0 i 100 preokrenute, te sada je opšteprihvaćeno da po Celzijusovoj skali voda ključa na 100 stepeni, a ledi se na 0.

Apsolutna ili Kelvinova skala

Vidi još: Kelvin

Temperaturna skala koja se univerzalno koristi u nauci je termodinamička skala ili apsolutna skala ili Kelvinova skala. Nazvana ja po Vilijamu Tomsonu, 1. baronu Kelvin koji se zalagao za definiciju apsolutne skale koja bi merila temperaturu nezavisno od osobina određenih termometrijskih supstanci termometra. Međunarodnim dogovorom, Kelvinova skala je definisana dvema tačkama: apsolutnom nulom i trojnom tačkom Bečke Standardne Srednje Okeanske Vode koja je na Kelvinovoj skali definisana na 273.16 K.

Tačka apsolutne nule je definisana kao temperatura na kojoj bi entropija sistema nula, a vrednost temperature apsolutne nule je određena ekstrapolacijom izmerenih vrednosti temperature i entropije na vrednost na kojoj bi entropija bila nula.

Bečka Standardna Srednja Okeanska Voda (engl. Vienna Standard Mean Ocean Water) je standard za određenu izotopsku smešu sveže vode. Vrlo čista i pažljivo destilovana, predstavlja standard vode za proizvodnju termometara visoke preciznosti.

Izotopski sastav Bečke Standardne Srednje Okeanske Vode dat je sa:

• ²H/¹H = 155.76 ± 0.1 ppm (odnos približno 1:6420)
• ³H/¹H = 1.85 ± 0.36 × 10⁻¹¹ ppm (odnos približno 1:5.41 × 10¹⁶ )
• ¹⁸O/¹⁶O = 2005.20 ± 0.43 ppm (odnos približno 1:498.7)
• ¹⁷O/¹⁶O = 379.9 ± 1.6 ppm (odnos približno 1:2632)

Odnos između temperaturnih skala

Tabela koja prikazuje neke orijentacione temperature s vrednostima izraženim na raznim temperaturnim skalama:

Opis	Kelvinova	Celzijusova	Farenhajtova	Rankinova	Delilova	Njutnova	Reomirova	Remerova
Apsolutna nula	0	-273,15	-459,67	0	559,725	-90,14	-218,52	-135,90
Farenhajta mešavina leda i soli	255,37	-17,78	0	459,67	176,67	-5,87	-14,22	-1,83
Tačka topljenja leda/ledište vode (pri normalnom pritisku)	273,15	0	32	491,67	150	0	0	7,5
Temperatura ljudskog tela	310,15	37	98,6	558,27	94,5	12,21	29,6	26,925
Tačka ključanja vode	373,15	100	212	671,67	0	33	80	60
Tačka topljenja titanijuma	1941	1668	3034	3494	-2352	550	1334	883

Tabela koja prikazuje odnos između raznih temperaturnih skala:

Klasifikacija skala

Postoje različite vrste temperaturnih skala. Korisno je klasifikovati ih kao empirijski i teorijski zasnovane. Empirijske temperaturne skale su istorijski starije, dok su teorijski zasnovane skale nastale sredinom devetnaestog veka.

Empirijske skale

Empirijski zasnovane temperaturne skale se direktno oslanjaju na merenja jednostavnih makroskopskih fizičkih svojstava materijala. Na primer, dužina stuba žive, zatvorene u kapilarnoj cevi sa staklenim zidovima, u velikoj meri zavisi od temperature i predstavlja osnovu veoma korisnog termometra žive u staklu. Takve skale važe samo u pogodnim rasponima temperature. Na primer, iznad tačke ključanja žive, termometar sa živom u staklu je neizvodljiv. Većina materijala se širi sa povećanjem temperature, ali neki materijali, kao što je voda, skupljaju se sa povećanjem temperature u određenom opsegu, i tada su od neznatne korisni kao termometrijski materijali. Materijal nije od koristi kao termometar blizu jedne od njegovih temperatura promene faze, na primer, njegove tačke ključanja.

Uprkos ovim ograničenjima, najčešće korišćeni praktični termometri su empirijski zasnovani. Naročito je korišćen za kalorimetriju, što je u velikoj meri doprinelo otkriću termodinamike. Ipak, empirijska termometrija ima ozbiljne nedostatke kada se koristi kao osnova za teorijsku fiziku. Empirijski zasnovani termometri, izvan njihove osnove kao jednostavna direktna merenja uobičajenih fizičkih svojstava termometričkih materijala, mogu se ponovo kalibrisati, korišćenjem teorijskog fizičkog rezonovanja, i to može proširiti njihov opseg adekvatnosti.

Teorijske skale

Teorijski zasnovane temperaturne skale zasnivaju se direktno na teorijskim argumentima, posebno onima kinetičke teorije i termodinamike. Oni su manje-više idealno realizovani u praktično izvodljivim fizičkim uređajima i materijalima. Teoretski zasnovane temperaturne skale se koriste za obezbeđivanje standarda za kalibraciju praktičnih empirijski zasnovanih termometara.

Mikroskopska statistička mehanička skala

U fizici, međunarodno dogovorena konvencionalna temperaturna skala naziva se Kelvinova skala. Ona se kalibriše kroz međunarodno dogovorenu i propisanu vrednost Bolcmanove konstante, koja se odnosi na kretanje mikroskopskih čestica, kao što su atomi, molekuli i elektroni, sastavnih delova tela čija temperatura treba da se meri. Za razliku od termodinamičke temperaturne skale koju je izmislio Kelvin, trenutno konvencionalna Kelvinova temperatura nije definisana upoređivanjem sa temperaturom referentnog stanja standardnog tela, niti u smislu makroskopske termodinamike.

Osim apsolutne nule temperature, Kelvinova temperatura tela u stanju unutrašnje termodinamičke ravnoteže se definiše merenjima odgovarajuće odabranih fizičkih svojstava, tako da imaju tačno poznata teorijska objašnjenja u smislu Bolcmanove konstante. Ta konstanta se odnosi na odabrane vrste kretanja mikroskopskih čestica u konstituciji tela. U takvim kretanjima čestice se kreću pojedinačno, bez međusobne interakcije. Takva kretanja se obično prekidaju sudarima između čestica. Međutim, za merenje temperature, kretanja se biraju tako da se, između sudara zna da su neinteraktivni segmenti njihovih putanja dostupni za precizno merenje. U tu svrhu se zanemaruje potencijalna energija između čestica.

U idealnom gasu, i u drugim teorijski shvaćenim telima, Kelvinova temperatura je definisana kao proporcionalna prosečnoj kinetičkoj energiji mikroskopskih čestica koje se neinteraktivno kreću, što se može meriti odgovarajućim tehnikama. Konstanta proporcionalnosti je jednostavan umnožak Bolcmanove konstante. Ako se molekuli, atomi ili elektroni, emituju iz materijala i mere se njihove brzine, spektar njihovih brzina često je skoro u skladu sa teorijskim zakonom koji se zove Maksvel-Bolcmanova raspodela, koji daje dobro utemeljeno merenje temperature za koje važi zakon. Još uvek nije bilo uspešnih eksperimenata ove iste vrste koji direktno koriste Fermi-Diracovu raspodelu za termometriju, ali će se to možda postići u budućnosti.

Brzina zvuka u gasu može se teoretski izračunati iz molekularnog karaktera gasa, iz njegove temperature i pritiska i iz vrednosti Bolcmanove konstante. Za gas poznatog molekularnog karaktera i pritiska, ovo obezbeđuje odnos između temperature i Bolcmanove konstante. Te količine se mogu znati ili izmeriti preciznije nego što to mogu termodinamičke varijable koje definišu stanje uzorka vode u njegovoj trostrukoj tački. Shodno tome, uzimajući vrednost Bolcmanove konstante kao primarno definisanu referencu tačno definisane vrednosti, merenje brzine zvuka može obezbediti preciznije merenje temperature gasa.

Merenje spektra elektromagnetnog zračenja idealnog trodimenzionalnog crnog tela može da obezbedi tačno merenje temperature, jer je frekvencija maksimalnog spektralnog zračenja crnog tela direktno proporcionalna temperaturi crnog tela; ovo je poznato kao Vienov zakon pomeranja i ima teorijsko objašnjenje u Plankovom zakonu i Boze–Ajnštajnovom zakonu.

Merenje spektra snage buke koju proizvodi električni otpornik takođe može obezbediti tačno merenje temperature. Otpornik ima dva terminala i zapravo je jednodimenzionalno telo. Boze-Ajnštajnov zakon za ovaj slučaj pokazuje da je snaga buke direktno proporcionalna temperaturi otpornika, vrednosti njegovog otpora i širini opsega šuma. U datom frekventnom opsegu, snaga buke ima jednak doprinos od svake frekvencije i naziva se Džonsonov šum. Ako je vrednost otpora poznata, temperatura se može naći.

Makroskopska termodinamička skala

Istorijski gledano, do maja 2019, definicija Kelvinove skale je bila ona koju je izumeo Kelvin, zasnovana na odnosu količina energije u procesima u idealnom Karnotovom motoru, u potpunosti u smislu makroskopske termodinamike. Taj Karnoov motor je trebalo da radi između dve temperature, one tela čija je temperatura trebalo da se meri, i referentne, tela na temperaturi trostruke tačke vode. Tada je referentna temperatura trostruke tačke, definisana na tačno 7002273160000000000♠273,16 K. Od maja 2019. ta vrednost nije fiksirana po definiciji, već se meri kroz mikroskopske fenomene, uključujući Bolcmanovu konstantu, kao što je gore opisano. Mikroskopska statistička mehanička definicija nema referentnu temperaturu.

Idealan gas

Materijal na kome se može zasnivati makroskopski definisana temperaturna skala je idealan gas. Pritisak koji vrši fiksna zapremina i masa idealnog gasa je direktno proporcionalan njegovoj temperaturi. Neki prirodni gasovi pokazuju tako skoro idealna svojstva u odgovarajućem temperaturnom opsegu da se mogu koristiti za termometriju; ovo je bilo važno tokom razvoja termodinamike a i danas je od praktične važnosti. Idealni gasni termometar, međutim, nije teoretski savršen za termodinamiku. To je zato što entropija idealnog gasa na njegovoj temperaturi apsolutne nule nije pozitivna poludefinisana veličina, što gas dovodi u kršenje trećeg zakona termodinamike. Za razliku od realnih materijala, idealni gas se ne pretvara u tečnost i ne učvršćava, bez obzira koliko je hladan. Alternativno razmišljajući, zakon idealnog gasa se odnosi na granicu beskonačno visoke temperature i nultog pritiska; ovi uslovi garantuju neinteraktivna kretanja sastavnih molekula.

Pristup kinetičke teorije

Veličina kelvina je u današnje vreme definisana u smislu kinetičke teorije, i izvedena iz vrednosti Bolcmanove konstante.

Kinetička teorija pruža mikroskopski prikaz temperature za neka tela materijala, posebno gasova, na osnovu makroskopskih sistema koji se sastoje od mnogih mikroskopskih čestica, kao što su molekuli i joni različitih vrsta, pri čemu su sve čestice vrste slične. Ona objašnjava makroskopske fenomene kroz klasičnu mehaniku mikroskopskih čestica. Teorema ekviparticije kinetičke teorije tvrdi da svaki klasični stepen slobode čestice koja se slobodno kreće ima prosečnu kinetičku energiju k_BT/2 gde k_B označava Bolcmanovu konstantu. Translaciono kretanje čestice ima tri stepena slobode, tako da će, osim na veoma niskim temperaturama gde preovlađuju kvantni efekti, prosečna translaciona kinetička energija čestice koja se slobodno kreće u sistemu sa temperaturom T biti 3k_BT/2.

Molekuli, kao što je kiseonik (O₂), imaju više stepena slobode od pojedinačnih sfernih atoma: oni prolaze kroz rotaciona i vibraciona kretanja, kao i translacije. Zagrevanje dovodi do povećanja temperature usled povećanja prosečne translacione kinetičke energije molekula. Zagrevanje će takođe prouzrokovati, kroz ekviparticionisanje, povećanje energije povezane sa vibracionim i rotacionim modovima. Dakle, dvoatomski gas će zahtevati više energije da poveća svoju temperaturu za određenu količinu, odnosno imaće veći toplotni kapacitet od jednoatomnog gasa.

Kao što je gore navedeno, brzina zvuka u gasu se može izračunati iz molekularnog karaktera gasa, iz njegove temperature i pritiska i iz vrednosti Bolcmanove konstante. Uzimajući vrednost Bolcmanove konstante kao primarno definisanu referencu tačno definisane vrednosti, merenje brzine zvuka može obezbediti preciznije merenje temperature gasa.

Moguće je izmeriti prosečnu kinetičku energiju sastavnih mikroskopskih čestica ako im se dozvoli da pobegnu iz mase sistema, kroz mali otvor u okružujućem zidu. Spektar brzina se izmeri i iz toga se izračuna prosek. Nije nužno slučaj da čestice koje izlaze i koje se mere imaju istu raspodelu brzina kao i čestice koje ostaju u masi sistema, ali ponekad je moguć dobar uzorak.

Termodinamički pristup

Temperatura je jedna od glavnih veličina u proučavanju termodinamike. Ranije je veličina kelvina bila definisana termodinamičkim terminima, ali danas, kao što je već pomenuto, definisana je u smislu kinetičke teorije.

Za termodinamičku temperaturu se kaže da je apsolutna iz dva razloga. Jedan je da je njen formalni karakter nezavisan od svojstava određenih materijala. Drugi razlog je da je njena nula u izvesnom smislu apsolutna, jer ukazuje na odsustvo mikroskopskog klasičnog kretanja sastavnih čestica materije, tako da one imaju graničnu specifičnu toplotu nule za nultu temperaturu, prema trećem zakonu termodinamike. Ipak, termodinamička temperatura ima određenu numeričku vrednost koja je proizvoljno odabrana tradicijom i koja zavisi od osobina određenih materijala; ona je jednostavno manje proizvoljan od relativnih „stepenskih“ skala kao što su Celzijusova i Farenhajtova. Budući da je apsolutna skala sa jednom fiksnom tačkom (nula), proizvoljnom izboru ostaje samo jedan stepen slobode, a ne dva kao u relativnim skalama. Za Kelvinovu skalu je od maja 2019. godine, prema međunarodnoj konvenciji, napravljen izbor da se koristi znanje o načinima rada različitih termometričkih uređaja, oslanjajući se na mikroskopske kinetičke teorije o molekularnom kretanju. Numerička skala je određena konvencionalnom definicijom vrednosti Bolcmanove konstante, koja povezuje makroskopsku temperaturu sa prosečnom mikroskopskom kinetičkom energijom čestica kao što su molekuli. Njena numerička vrednost je proizvoljna, a postoji alternativna, manje korišćena apsolutna temperaturna skala koja se zove Rankinova skala, napravljena da bude usklađena sa Farenhajtovom skalom kao što je Kelvinova sa Celzijusovom.

Termodinamička definicija temperature je Kelvinov doprinos. Formulisana je u smislu idealizovanog uređaja koji se zove Karnoov motor, a zamišljen da radi u fiktivnom kontinuiranom ciklusu uzastopnih procesa koji prolaze kroz stanja ciklusa njegovog radnog tela. Motor uzima količinu toplote Q₁ iz toplog rezervoara i odbacuje manju količinu otpadne toplote Q₂ < 0 u hladni rezervoar. Neto toplotna energija koju apsorbuje radno telo prenosi se, kao termodinamički rad, u radni rezervoar i smatra se izlaznom snagom motora. Smatra se da ciklus teče tako sporo da je u svakoj tački ciklusa radno telo u stanju termodinamičke ravnoteže. Takoće se uzima da se uzastopni procesi ciklusa odvijaju reverzibilno bez produkcije entropije. Tada je količina entropije koja se uzima iz toplog rezervoara kada se radno telo zagreva jednaka onoj koja se prenosi u hladni rezervoar kada se radno telo hladi. Apsolutne ili termodinamičke temperature, T₁ i T₂, rezervoara definisane tako da je

${\frac {T_{1}}{T_{2}}}=-{\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}.$

(1)

Nulti zakon termodinamike dozvoljava da se ova definicija koristi za merenje apsolutne ili termodinamičke temperature proizvoljnog tela od interesa, tako što će drugi rezervoar toplote imati istu temperaturu kao telo od interesa.

Kelvinov originalni rad koji postulira apsolutnu temperaturu objavljen je 1848. godine. Zasnovan je na Karnoovom radu, pre formulacije prvog zakona termodinamike. Karno nije imao dobro razumevanje toplote i nije imao specifičan koncept entropije. Pisao je o 'kaloriku' i rekao da su svi kalorici koji su prešli iz vrućeg rezervoara predati u hladni rezervoar. Kelvin je u svom radu iz 1848. napisao da je njegova skala apsolutna u smislu da je definisana „nezavisno od svojstava bilo koje date vrste materije“. Njegova konačna publikacija, koja iznosi upravo navedenu definiciju, štampana je 1853. godine, a rad napisan 1851. godine.

Numerički detalji su ranije bili rešeni tako što je jedan od rezervoara toplote postao ćelija na trostrukoj tački vode, za koju je definisana apsolutna temperatura od 273,16 K. U današnje vreme, numerička vrednost se umesto toga dobija merenjem preko mikroskopske statističke mehaničke međunarodne definicije, kao što je gore navedeno.

Intenzivna varijabilnost

U termodinamičkom smislu, temperatura je intenzivna promenljiva jer je jednaka diferencijalnom koeficijentu jedne ekstenzivne promenljive u odnosu na drugu, za dato telo. Stoga, ona ima dimenzije odnosa dve ekstenzivne varijable. U termodinamici, dva tela se često smatraju povezanim kontaktom sa zajedničkim zidom, koji ima neka specifična svojstva permeabilnosti. Takva specifična permeabilnost se može odnositi na specifičnu intenzivnu promenljivu. Primer je dijatermički zid koji je propustljiv samo za toplotu; intenzivna promenljiva za ovaj slučaj je temperatura. Kada su dva tela veoma dugo povezana kroz specifično permeabilni zid, i ustaljena u trajno stabilnom stanju, relevantne intenzivne varijable su jednake u dva tela; za dijatermalni zid, ova izjava se ponekad naziva nultim zakonom termodinamike.

Konkretno, kada se telo opisuje navođenjem njegove unutrašnje energije U, ekstenzivna promenljiva, kao funkcija njegove entropije S, takođe ekstenzivne promenljive, i druge promenljive stanja V, N, sa U = U (S, V, N), tada je temperatura jednaka parcijalnom derivatu unutrašnje energije u odnosu na entropiju:

$T=\left({\frac {\partial U}{\partial S}}\right)_{V,N}.$

(2)

Slično, kada se telo opiše navođenjem njegove entropije S kao funkcije njegove unutrašnje energije U, i drugih promenljivih stanja V, N, sa S = S (U, V, N), onda je recipročna vrednost temperature jednaka parcijalnom izvodu entropije u odnosu na unutrašnju energiju:

${\frac {1}{T}}=\left({\frac {\partial S}{\partial U}}\right)_{V,N}.$

(3)

Gornja definicija, jednačina (1), apsolutne temperature, je Kelvinova zasluga. Ona se odnosi na sisteme zatvorene za prenos materije i ima poseban naglasak na direktno eksperimentalne procedure. Gibsova prezentacija termodinamike počiva na apstraktnijem nivou i bavi se sistemima otvorenim za transfer materije; u ovom razvoju termodinamike, gornje jednačine (2) i (3) su zapravo alternativne definicije temperature.

Lokalna termodinamička ravnoteža

Tela iz stvarnog sveta često nisu u termodinamičkoj ravnoteži i nisu homogena. Za proučavanje metodama klasične ireverzibilne termodinamike, telo se obično prostorno i vremenski deli konceptualno na 'ćelije' male veličine. Ako su klasični termodinamički uslovi ravnoteže za materiju ispunjeni u dobroj aproksimaciji u takvoj 'ćeliji', onda je ona homogena i za nju postoji temperatura. Ako je to tako za svaku 'ćeliju' tela, onda se kaže da lokalna termodinamička ravnoteža vlada u celom telu.

Ima smisla, na primer, reći za ekstenzivnu promenljivu U, ili za ekstenzivnu promenljivu S, da ona ima gustinu po jedinici zapremine ili količinu po jedinici mase sistema, ali nema smisla govoriti o gustini temperature po jedinici zapremine ili količini temperature po jedinici mase sistema. S druge strane, nema smisla govoriti o unutrašnjoj energiji u tački, dok kada preovlađuje lokalna termodinamička ravnoteža, ima smisla govoriti o temperaturi u tački. Shodno tome, temperatura može da varira od tačke do tačke u medijumu koji nije u globalnoj termodinamičkoj ravnoteži, ali u kome postoji lokalna termodinamička ravnoteža.

Kada u telu vlada lokalna termodinamička ravnoteža, temperatura se može smatrati prostorno promenljivim lokalnim svojstvom u tom telu, a to je zato što je temperatura intenzivna promenljiva.

Osnovna teorija

Temperatura je mera kvaliteta stanja materijala. Taj kvalitet se može smatrati apstraktnijim entitetom od bilo koje date temperaturne skale koja ga meri, a neki pisci ga nazivaju vrelinom. Kvalitet vreline se odnosi na stanje materijala samo na određenom lokalitetu, i generalno, osim tela koja se drže u stabilnom stanju termodinamičke ravnoteže, vrelina varira od mesta do mesta. Nije nužno slučaj da je materijal na određenom mestu u stanju koje je postojano i skoro dovoljno homogeno da mu omogući da ima dobro definisanu vrelinu ili temperaturu. Vrelina se može apstraktno predstaviti kao jednodimenzionalna mnogostrukost. Svaka validna temperaturna skala ima svoju mapu jedan-na-jedan u mnogostrukosti toplote.

Kada su dva sistema u termičkom kontaktu na istoj temperaturi nema prenosa toplote između njih. Kada temperaturna razlika postoji, toplota spontano teče iz toplijeg sistema u hladniji sistem sve dok oni ne budu u toplotnoj ravnoteži. Takav prenos toplote se dešava provođenjem ili termičkim zračenjem.

Eksperimentalni fizičari, na primer Galileo i Njutn, su otkrili da postoji neograničeno mnogo empirijskih temperaturnih skala. Ipak, nulti zakon termodinamike kaže da sve mere isti kvalitet. To znači da za telo u sopstvenom stanju unutrašnje termodinamičke ravnoteže, svaki ispravno kalibrisani termometar, bilo koje vrste, koji meri temperaturu tela, beleži jednu te istu temperaturu. Za telo koje nije u sopstvenom stanju unutrašnje termodinamičke ravnoteže, različiti termometri mogu da beleže različite temperature, u zavisnosti od mehanizama rada termometara.

Tela u termodinamičkoj ravnoteži

Za eksperimentalnu fiziku, vrelina znači da će se, kada se uporede bilo koja dva data tela u njihovim pojedinačnim termodinamičkim ravnotežama, bilo koja dva prikladno data empirijska termometra sa očitanjima numeričke skale složiti oko toga koje je toplije od dva data tela, ili da imaju iste temperature. Ovo ne zahteva da dva termometra imaju linearnu vezu između svojih očitavanja numeričke skale, ali zahteva da odnos između njihovih numeričkih očitavanja bude striktno monoton. Definitni osećaj veće vreline može se imati, nezavisno od kalorimetrije, termodinamike i osobina datog materijala, iz Vinovog zakona pomeranja toplotnog zračenja: temperatura kupatila toplotnog zračenja je proporcionalna, pomoću univerzalne konstante, sa frekvencijom maksimuma svog frekventnog spektra; ova frekvencija je uvek pozitivna, ali može imati vrednosti koje teže nuli. Toplotno zračenje je prvobitno definisano za šupljinu u termodinamičkoj ravnoteži. Ove fizičke činjenice opravdavaju matematičku tvrdnju da vrelina postoji na uređenoj jednodimenzionalnoj mnogostrukosti. Ovo je fundamentalna karakteristika temperature i termometara za tela u sopstvenoj termodinamičkoj ravnoteži.

Osim u sistemu koji prolazi kroz faznu promenu prvog reda kao što je topljenje leda, kako zatvoreni sistem prima toplotu, bez promene zapremine i bez promene spoljašnjih polja sila koja na njega deluju, njegova temperatura raste. Za sistem koji prolazi kroz takvu promenu faze tako sporo da se odstupanje od termodinamičke ravnoteže može zanemariti, njegova temperatura ostaje konstantna dok se sistem snabdeva latentnom toplotom. Suprotno tome, gubitak toplote iz zatvorenog sistema, bez promene faze, bez promene zapremine i bez promene spoljašnjih polja sila koja na njega deluju, smanjuje njegovu temperaturu.

Tela u stabilnom stanju, ali nisu u termodinamičkoj ravnoteži

Dok za tela u sopstvenim termodinamičkim ravnotežnim stanjima, pojam temperature zahteva da se svi empirijski termometri moraju složiti oko toga koje od dva tela je toplije ili da su na istoj temperaturi, ovaj zahtev nije siguran za tela koja su u stabilnom stanju mada nisu u termodinamičkoj ravnoteži. Tada se može desiti da se različiti empirijski termometri ne slažu oko toga koje je toplije, a ako je to tako, onda barem jedno od tela nema dobro definisanu apsolutnu termodinamičku temperaturu. Ipak, svako dato telo i bilo koji odgovarajući empirijski termometar i dalje mogu da podrže pojmove empirijske, neapsolutne, toplote i temperature, za odgovarajući opseg procesa. Ovo je predmet proučavanja neravnotežne termodinamike.

Tela koja nisu u stabilnom stanju

Kada telo nije u stabilnom stanju, onda pojam temperature postaje još manje siguran nego za telo u stabilnom stanju koje nije u termodinamičkoj ravnoteži. Ovo je takođe predmet proučavanja neravnotežne termodinamike.

Aksiomatika termodinamičke ravnoteže

Za aksiomatski tretman termodinamičke ravnoteže, od 1930-ih, postalo je uobičajeno da se poziva na nulti zakon termodinamike. Uobičajeno izrečena minimalistička verzija takvog zakona postulira samo da se za sva tela, za koja bi kad su termički u kontaktu bila u toplotnoj ravnoteži, treba reći da imaju istu temperaturu po definiciji, ali sama po sebi ne uspostavlja temperaturu kao veličinu izraženu kao realni broj na skali. Fizički informativnija verzija takvog zakona posmatra empirijsku temperaturu kao grafikon toplotne mnogostrukosti. Dok nulti zakon dozvoljava definicije mnogih različitih empirijskih skala temperature, drugi zakon termodinamike bira definiciju jedne preferirane, apsolutne temperature, jedinstvene do proizvoljnog faktora skale, odakle se ona naziva termodinamička temperatura. Ako se unutrašnja energija posmatra kao funkcija zapremine i entropije homogenog sistema u termodinamičkoj ravnoteži, termodinamička apsolutna temperatura se pojavljuje kao delimični derivat unutrašnje energije u odnosu na entropiju pri konstantnoj zapremini. Njegovo prirodno, suštinsko poreklo ili nulta tačka je apsolutna nula na kojoj je entropija bilo kog sistema na minimumu. Iako je ovo najniža apsolutna temperatura opisana modelom, treći zakon termodinamike postulira da apsolutnu nulu ne može postići nijedan fizički sistem.

Toplotni kapacitet

Vidi još: Toplotni kapacitet i kalorimetrija

Kada je prenos energije na ili sa tela samo kao toplota, stanje tela se menja. U zavisnosti od okoline i zidova koji odvajaju tela, moguće su različite promene u telu. To uključuje hemijske reakcije, povećanje pritiska, povećanje temperature i promenu faze. Za svaku vrstu promene pod određenim uslovima, toplotni kapacitet je odnos količine prenete toplote i veličine promene.

Na primer, ako je promena povećanje temperature pri konstantnoj zapremini, bez promene faze i hemijske promene, onda temperatura tela raste i njegov pritisak raste. Količina prenete toplote, ΔQ, podeljena sa uočenom promenom temperature, ΔT, je toplotni kapacitet tela pri konstantnoj zapremini:

$C_{V}={\frac {\Delta Q}{\Delta T}}.$

Ako se toplotni kapacitet meri za dobro definisanu količinu supstance, specifična toplota je mera toplote potrebne da se temperatura takve jedinične količine poveća za jednu jedinicu temperature. Na primer, povećanje temperature vode za jedan kelvin (jednako jednom stepenu Celzijusa) zahteva 4186 džula po kilogramu (J/kg).

Merni instrumenti

Optički pirometar za merenje temperature u visokoj peći.

Medicinski stakleni termometar.

Automatska meteorološka stanica.

Za merenje temperature služi merni instrument koji se zove termometar.

Živin termometar se zasniva na pojavi da se fizička tela zagrijavanjem rastežu, a hlađenjem stežu. Kao radna supstanca se nekad koristio alkohol, a danas se skoro jedino koristi živa u tečnom agregatnom stanju zbog svog visokog koeficijenta ekspanzije. Pri dodiru sa okolinom, termometar brzo razmenjuje toplotu te se lako prati brzo rastezanje ili sažimanje žive u njemu.

Termometar se sastoji od uske staklene cevi (kapilare) koja je duž termometra svugde istog prečnika, dok se na donjem kraju proširuje u valjkastu ili kuglastu posudicu.

U meteorologiji, merni instrumenti za merenje temperature su smešteni u meteorološkim stanicama na 2 metra iznad zemlje radi uklanjanja nepovoljnih uticaja osunčavanja, vetrova i padavina, dok je razmena vazduha spolja stalno moguća.

Danas postoje nekoliko standardizovanih načina za merenje temperature, kao što su gasni termometri, akustični gasni termometri, termometri koji se zasnivaju na merenju električnog šuma provodnika, termometri koji se zasnivaju na merenju ukupnog zračenja crnog tela.

Primarni termometri

Primarni termometri su termometri čiji se rad zasniva na dobro proučenom fizičkom principu i koji su vrlo pouzdani, u smislu da imaju veliku reproducibilnost merenja (rezultat se vrlo dobro reprodukuje ponovljenim merenjem). Osobina primarnih termometara je da se jednačina stanja koja opisuje termometar može napisati bez uvođenja nekih drugih temperaturno-zavisnih veličina.

Primarni termometri mogu biti:

• gasni termometri sa gasom kao radnim telom (na primer helijumom koji se ponaša skoro kao idealan gas) kod kojih se meri pritisak po blago korigovanoj jednačini stanja za idealan gas $pV=nRT$
• akustični gasni termometri koji određuju temperaturu preko merenja brzine zvuka koji se kreće kroz gasni medijum (npr. helijum)
• termometri koji mere električni šum otpornika koji je direktno proporcionalan temperaturi ${\overline {V^{2}}}=4k_{B}TR\Delta \nu$, gde je $k_{B}$Plankova konstanta, a $\Delta \nu$je raspon frekvencije
• termometri koji određuju temperaturu merenjem ukupnog zračenja crnog tela

Sekundarni termometri

Sekundarni termometri, za razliku od primarnih, nisu toliko pouzdani. Kod njih se dobijeni rezultat mora kalibrisati preko definisanih temperaturnih fiksnih tačaka, zbog toga što veličine koje se mere dodatno zavise od temperature. Za razliku od primarnih termometara, osobina sekundarnih termometara je da se jednačina stanja kod njih ne može napisati bez uvođenja nekih drugih temperaturno-zavisnih veličina. Prednost sekundarnih termometara i njihova zastupljenost u praksi je u tome što su primarni termometri često nepraktični zbog veličine, brzine ili cene.

Među sekundarnim termometrima koriste se:

• termometri koji rade na principu merenja otpora
  • metalni (pozitivni) senzori koji su vrlo reproducibilni, ali nisu previše osetljivi na niskim temperaturama
  • poluprovodni (negativni) senzori su vrlo osetljivi ali zahtevaju dodatnu kalibraciju zbog toga što temperaturno zavisna otpornost $R(T)$zavisi i od nečistoća u poluprovodniku
• koji rade na principu dioda - lako je očitavati temperaturu, ali nisu tako precizni i reproducibilni kao termometri koji radi na principu otpornika
• termopari ili termoelementi koji - rade na principu termoelektričnog efekta, teško je očitavati temperaturu, ali mogu da mere širok opseg temperature i pogodni su zbog toga što su pasivni senzori
• termometri koji rade na principu kapacitivnosti - imaju najmanju grešku na merenje temperature u prisustvu magnetnog polja, ali nisu reproducibilni te je uvek potrebno meriti uz prisustvo kontrolnog senzora

Aktuelne definisane i internacionalno prihvaćene temperaturne skale za korišćenje sekundarnih termometara su (ITS-90) i (PLTS-2000).

Važne praktične karakteristike termometara

• tačnost termometra koja je određena osetljivošću i rezolucijom instrumenta
• osetljivost na magnetno polje
• reproducibilnost merenja (koliko sličan rezultat se dobija ponavljanjem merenja)
• jedinstvenost kalibracije
• jednostavnost korišćenja
• cena

Uloga temperature u prirodi

Osim u svakodnevnom životu, temperatura igra važnu ulogu u skoro svim prirodnim naukama. Mnoge fizičke osobine materije, od agregatnog stanja preko gustine, rastvorljivosti, napona pare, električne provodnosti do indeksa prelamanja zavise od temperature. Slično, od temperature zavisi kojom će se brzinom odvijati neka hemijska reakcija a u složenom sistemu, i koje će reakcije da se odigraju. To je jedan od razloga što kod čoveka postoji nekoliko vrlo složenih mehanizama za održavanje telesne temperature nešto ispod 37 °C, jer je samo nekoliko stepeni odstupanja dovoljno da poremeti optimalno stanje u organizmu. Od temperature takođe zavisi intenzitet toplotnog zračenja koje se emituje sa površine tela. Taj je efekat, na primer, primenjen u sijalici sa vlaknom u kojoj se električnom strujom podiže temperatura vlakna do temperature na kojoj dolazi do znatne emisije vidljivog zračenja. Na tom principu i Sunce sija — zbog visoke temperature, površina Sunca neprekidno emituje ogromnu količinu energije u vidu elektromagnetnih talasa, velikim delom u vidljivom delu spektra.

($k_{B}$)

Uobičajena jedinica za merenje temperature u fizici je konvencionalna temperatura ($\tau$) koja se izražava preko standardne temperature ($T$) i Plankove konstante ($k_{B}$):

$\tau =k_{B}T$

Merna jedinica konvencionalne temperature je dimenzije energije, kao što je džul ili elektronvolt.

Temperatura tela

Temperatura tela je mera toplotnog stanja organizma; posledica je ravnoteže između apsorpcije i zračenja toplote (termoregulacija). Kod čoveka, kao i kod drugih toplokrvnih (homeotermnih) životinja, temperatura u unutrašnjosti organizma održava se srazmerno stalnom, bez obzira na temperaturu okoline, što je u prvome redu nužno za pravilnu funkciju enzima. Temperatura hladnokrvnih (poikilotermnih) životinja zavisi od temperature okoline.

Temperatura se obično meri u ustima (oralna ili sublingvalna temperatura), pod pazuhom (aksilarna temperatura) ili u debelom crevu (rektalna temperatura). Među zdravim pojedincima temperatura pokazuje srazmerno veliku varijabilnost: oralna temperatura iznosi između 36,4 i 37,6 °C, aksilarna temperatura približno je 0,5 °C niža od oralne, a rektalna temperatura približno 0,5 °C viša od oralne. Temperatura je obično niža u jutarnjim satima, a viša u večernjima. Tokom vrlo napornoga mišićnog rada temperatura se privremeno može povisiti i do 40 °C. Kod žena temperatura zavisi od faze menstruacijskoga ciklusa: u drugoj polovini ciklusa ona je približno 0,3 °C viša nego u prvoj polovini. Povišena temperatura (vrućica ili groznica) može imati različite uzroke, a najčešće je posledica upalnih procesa i zaraza. Kod male dece termoregulacija još nije dobro razvijena, pa temperatura može biti povišena i bez patoloških razloga. Umereno povišenje telesne temperature naziva se subfebrilnom temperaturom. Ako se temperatura povisi na 40,0 do 42,0 °C, može nastati toplotni udar, a ako se snizi na približno 25,0 °C (na primer pri boravku u ledenoj vodi), čovek obično umire zbog srčanoga zastoja.

Temperatura vazduha

Temperatura vazduha, u meteorologiji, je temperatura u prizemnom sloju atmosfere koja nije uzrokovana toplotnim zračenjem tla i okoline ili Sunčevim zračenjem. Meri se na visini od 2 metra iznad tla. Temperatura vazduha menja se tokom dana i tokom godine. Dnevni hod zavisi od doba dana i veličine i vrste oblačnosti, i može se znatno promeniti pri naglim prodorima toplog ili hladnog vazduha ili pri termički jako izraženim vetrovima, na primer fenu, činuku ili buri. Godišnji hod zavisi od položaja Zemlje prema Suncu, zemljopisnom položaju mesta, te o klimatskim promenama. U našim geografskim širinama u proseku je najhladniji mesec januar, a najtopliji jul. Zbog uticaja toplote tla, uz samo tlo temperatura vazduha naglo se menja, pa razlika između temperature vazduha na 2 metra visine i one pri tlu može iznositi i do 10 °C. Temperatura vazduha pri tlu meri se termometrima postavljenima 5 centimetara iznad tla. Najniža je do sada izmerena temperatura vazduha – 89,2 °C na stanici Vostok (Antarktika, 1983), a najviša 57,3 °C u mestu Asisija (Libija, 1923).

Literatura

• Shachtman, Tom. Absolute zero and the conquest of cold. ISBN 9780547525952. OCLC 1011499426. 
• Chang, Hasok (2004). Inventing Temperature: Measurement and Scientific Progress. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-517127-3. 
• Zemansky, Mark Waldo (1964). Temperatures Very Low and Very High. Princeton, N. J.| publisher = Van Nostrand.
• Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics. (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK. ISBN 978-0-521-25445-8. 
• Buchdahl, H.A. (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics. Cambridge University Press, Cambridge UK. 
• Mach, E. (1990). Die Principien der Wärmelehre. Historisch-kritisch entwickelt. Leipzig: Johann Ambrosius Barth. 
• Middleton, W.E.K. (1966). A History of the Thermometer and its Use in Metrology. Johns Hopkins Press, Baltimore MD. 
• Miller, J (2013). „Cooling molecules the optoelectric way”. Physics Today. 66 (1): 12—14. doi:10.1063/pt.3.1840. 
• Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry. volume 1, Fundamental Principles.  The Properties of Gases, Longmans, Green & Co., London. pp. 175–177.
• Pippard, A.B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge UK.
• Quinn, T. J. (1983). Temperature. London: Academic Press. ISBN 978-0-12-569680-7. 
• Schooley, J.F. (1986). Thermometry. Boca Raton: CRC Pressn. ISBN 978-0-8493-5833-3. 
• Roberts, J.K., Miller, A.R. (1928/1960). Heat and Thermodynamics, (first edition 1928), fifth edition, Blackie & Son Limited, Glasgow.
• Thomson, W. (Lord Kelvin) (1848). On an absolute thermometric scale founded on Carnot's theory of the motive power of heat, and calculated from Regnault's observations, Proc. Cambridge Phil. Soc. (1843/1863) 1, No. 5: 66–71.
• Thomson, W. (Lord Kelvin) (1851). „On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule’s equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh. XX (part II): 261—268; 289—298. 
• Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854. New York: Springer. ISBN 978-0-387-90403-0. 
• Tschoegl, N.W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics. Elsevier, Amsterdam. ISBN 978-0-444-50426-5. 
• Zeppenfeld, M.; Englert, B.G.U.; Glöckner, R.; Prehn, A.; Mielenz, M.; Sommer, C.; van Buuren, L.D.; Motsch, M.; Rempe, G. (2012). „Sysiphus cooling of electrically trapped polyatomic molecules”. Nature. 491: 570—573. Bibcode:2012Natur.491..570Z. PMID 23151480. arXiv:1208.0046 . doi:10.1038/nature11595. 

Spoljašnje veze

• An elementary introduction to temperature aimed at a middle school audience
• from Oklahoma State University
• Average yearly temperature by country