¿Qué es exactamente la temperatura?

Question

He leído en muchos sitios que la temperatura es la energía cinética media de las partículas presentes en un objeto. Pero no entiendo intuitivamente cómo se relaciona la energía cinética con la temperatura. ¿Y cómo se relaciona entonces el calor con la temperatura? Entonces, ¿qué es exactamente la temperatura? Todas las descripciones que aparecen en Internet son muy confusas.

Answer 1

Temperatura frente a energía cinética

[OP:] He leído en muchos sitios que la temperatura es la energía cinética media de las partículas presentes en un objeto.

La temperatura tiene que ver con la energía cinética media de las partículas, pero decir que ambos conceptos son lo mismo es incorrecto. Lo que es correcto es que si las partículas de dos muestras de gas monoatómico tienen la misma energía cinética media, tendrán la misma temperatura. Para muestras que no son gases monoatómicos, véase ¿Cuáles son los grados de libertad que definen la temperatura de un sólido iónico (como la azida sódica)? .

[No entiendo intuitivamente cómo la energía cinética está relacionada con la temperatura.

Si tienes un gas en un recipiente (como el aire de una habitación), las moléculas de gas chocarán con las paredes. Si las paredes están más frías que el gas (por ejemplo, el cristal de una ventana fría en invierno), estas colisiones ralentizarán las partículas de gas por término medio, disminuyendo la temperatura del gas. Si las paredes están más calientes que el gas (como el cristal de una ventana en verano), estas colisiones acelerarán las partículas de gas por término medio, aumentando la temperatura del gas. Como la energía (y el momento en el caso de las colisiones elásticas) se conserva, los cambios en la temperatura del gas se reflejarán en cambios opuestos en la temperatura de las paredes (la magnitud del cambio no será la misma, depende de las capacidades caloríficas).

Calor frente a temperatura

[OP:] ¿Y cómo se relaciona entonces el calor con la temperatura?

El calor es la transferencia de energía térmica. Si no ocurre nada más, el calor transferido de la muestra A a la muestra B irá acompañado de un descenso de la temperatura de A y un aumento de la temperatura de B. Véase también: https://chemistry.stackexchange.com/a/112057

Definición de temperatura

[Entonces, ¿qué es exactamente la temperatura? Todas las descripciones que aparecen en Internet son muy confusas.

En términos más sencillos, es lo que se mide después de poner un termómetro en contacto térmico con la muestra. La parte sensora del termómetro (bulbo de mercurio o alcohol, termopar, etc.) tiene que alcanzar la misma temperatura que la muestra. La muestra debe ser mucho mayor que el sensor para que al ponerlos en contacto no cambie significativamente la temperatura de la muestra. La temperatura medida por el termómetro es igual a la temperatura de la muestra porque están en equilibrio térmico (el intercambio de calor es nulo), y el termómetro tiene alguna propiedad que cambia con la temperatura (como el volumen de alcohol) para poder percibir su temperatura. Véase también: Medición de la temperatura

La definición cuantitativa de la temperatura figura en la definición oficial de su unidad Kelvin del SI:

El kelvin, símbolo $K$ es la unidad SI de temperatura termodinámica. Se define tomando como valor numérico fijo de la constante de Boltzmann k $\pu{1.380649e−23}$ cuando se expresa en la unidad $\pu{J K−1}$ que es igual a $\pu{kg m2 s−2 K−1}$ donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de $h$ , $c$ y $Δν_{Cs}$ .

Esta definición requiere mucha química física para entenderla. Sin embargo, a veces se formula como:

Un kelvin equivale a un cambio en la temperatura termodinámica $T$ que produce un cambio de energía térmica $kT$ por $\pu{1.380 649e−23 J}$ .

Por tanto, si la energía térmica (media por partícula, no se ha dicho antes) sube, la temperatura sube.

Answer 2

El calor es la transferencia de energía hacia o desde el cuerpo en formas distintas al flujo de materia o al trabajo (transferencia de energía organizada, como el empuje).

La temperatura sólo es una propiedad bien definida para un cuerpo colectivo (no podrías decirme la temperatura de un solo átomo, por ejemplo). Como has dicho, es la propiedad de la materia que describe la cantidad de energía cinética de las partículas del cuerpo. En cuanto al porqué de esto, yo preguntaría: ¿qué ocurre en el 0 absoluto?

A 0 absoluto, el calor se ha transferido fuera del sistema tanto que no se puede bajar más la energía del sistema.

(Nota para el lector entendido: en efecto, sigue existiendo un fenómeno mecánico cuántico -la energía de punto cero- que impide que parte de la energía salga de la molécula, pero eso es una conversación para otro momento).

Desde una definición termodinámica, la temperatura es la descripción de cómo cambia la energía interna con la entropía para un sistema cerrado (sin entrada ni salida de materia) de volumen constante:

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

Al aumentar la entropía del sistema en una cantidad fija, la temperatura del sistema me indica en cuánto aumentará la energía interna. Ahora bien, ésta no es una forma muy útil, ya que no se puede aumentar directamente la entropía de un cuerpo (hay que añadir energía y luego dejar que la entropía aumente indirectamente). Es mucho más útil considerar la temperatura inversa:

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

En el cero absoluto, todo se encuentra en el estado de energía más bajo. Cualquier pequeña transferencia de energía al sistema provocará un gran aumento de la entropía. Pero esto fue sólo un pequeño cambio, por lo que la energía interna no aumenta mucho. Compárese con un sistema a temperatura ambiente, donde debo transferir mucha más energía al sistema para conseguir la misma magnitud de aumento de entropía.

Answer 3

La temperatura está relacionada con la energía cinética, pero no puede equipararse simplemente a la energía cinética media del sistema. Como escribí en respuesta a otra respuesta, diferentes sistemas pueden tener diferentes energías cinéticas medias/partícula, pero la misma temperatura. Por ejemplo, a la misma temperatura la energía cinética/partícula media de un gas diatómico es mayor que la de un gas monatómico, porque las partículas del gas monatómico sólo tienen energía cinética traslacional, mientras que las partículas diatómicas tendrán la misma energía cinética traslacional media, pero también energía cinética rotacional y vibracional.

Lo que se puede decir, sin embargo, es que la temperatura es una medida de la energía cinética media por grado de libertad disponible , $\langle H_{kin,DOF}\rangle$ :

$$\langle H_{kin,DOF}\rangle = 1/2 N k_B T/f,$$ donde $f$ es la disponibilidad fraccionaria del grado de libertad.

Así podemos escribir:

$$T = \frac{2\langle H_{kin,DOF}\rangle}{N k_B f}$$

Consideremos de nuevo un gas monatómico frente a uno diatómico. A bajas temperaturas, es posible que los grados de libertad vibracionales no estén totalmente disponibles, pero sí lo estarán los grados de libertad traslacionales (por tanto, para cada uno de los tres grados de libertad traslacionales, $f=1$ ). A la misma temperatura, el KE/partícula medio de los dos gases será diferente. Sin embargo, para ambos gases el KE medio por partícula y por grado de libertad traslacional ¡será lo mismo!

Answer 4

En termodinámica, la base para una definición de temperatura la proporciona la $0^{\text{th}}$ Ley dos cuerpos en equilibrio térmico independiente con un tercer cuerpo están en equilibrio térmico entre sí. El equilibrio térmico permite definir la temperatura: se dice que dos cuerpos en equilibrio térmico están a la misma "temperatura".

En $0^{\text{th}}$ Es útil porque permite determinar si dos sistemas que no están en contacto térmico estarían en equilibrio térmico si se pusieran en contacto. Esta propiedad transitiva del equilibrio térmico proporciona un método para clasificar los sistemas, por ejemplo, poniéndolos por separado en contacto térmico con un cuerpo de referencia. Un termómetro representa ese cuerpo de referencia. Una medida práctica de la temperatura (una escala) puede ser proporcionada por una propiedad intensiva observable que define el estado del termómetro. Si el termómetro indica la misma "temperatura" cuando está en contacto con dos cuerpos diferentes, entonces esos dos cuerpos están en equilibrio térmico (o lo estarían si estuvieran en contacto térmico).

Una vez establecida una escala de temperaturas tomando como referencia el estado de un termómetro, la siguiente pregunta a responder es, ¿qué ocurre cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto térmico? Para responder a esta pregunta invocamos la 1ª ley. La primera ley define la aditividad de diferentes formas de energía (calor y trabajo). El calor es el cambio en la energía interna de los objetos cuando se equilibran en contacto térmico, sin trabajo. La 1ª ley también proporciona una forma de medir el "calor" relacionándolo con una cantidad equivalente de trabajo. Por ejemplo, se puede utilizar el trabajo eléctrico para cambiar el estado de una sustancia en un recipiente adiabático rígido. La cantidad de trabajo es equivalente al calor que produciría el mismo cambio de temperatura de la sustancia si la transferencia de energía se hubiera realizado térmicamente y en ausencia de trabajo :

$$\begin{align} \Delta U &= w \tag{adiabatic} \\ &= q\tag{diathermal, rigid}\end{align}$$

Obsérvese, por último, que existe una escala termodinámica de temperatura que se basa en la 2ª ley (como corolario de las propiedades de la entropía), pero en la práctica nos basamos en escalas cuyo comportamiento límite (ideal) se aproxima al de la escala termodinámica.

Answer 5

Me gusta pensar en la temperatura como una medida del NIVEL de energía, pero no de la CANTIDAD de energía.

Una analogía con los niveles de los depósitos de agua: Un depósito pequeño (0,1 m de diámetro) con un nivel alto (1 m) Un depósito grande (1 m de diámetro) con un nivel pequeño (0,1 m)

Es obvio cuál tiene un nivel más alto y cuál sería la dirección del flujo si conectas los tanques entre sí.

Sin embargo, el depósito grande tiene una mayor cantidad (78 litros) en comparación con el pequeño (7,8 litros), por lo que tiene una mayor capacidad.

Lo mismo ocurre con la temperatura: compare una tetera hirviendo con un enorme iceberg. Uno tiene un mayor nivel de energía, el otro tiene una mayor cantidad de energía.