טמפרטורה

טמפרטורה היא גודל פיזיקלי שנועד לכמת את מה שבאופן אינטואיטיבי אנו מבינים כ"חם" ו"קר". מבחינה פיזיקלית הטמפרטורה הינה גודל המבטא את "רמת התנועה" של חלקיקי החומר ומהווה מדד לאנרגיה הקינטית של החלקיקים.

הגדרות שונות לטמפרטורה

לטמפרטורה היו במהלך ההיסטוריה מספר הגדרות שונות, שבדיעבד אפשר להראות את האקוויוולנטיות שלהן:

טמפרטורה תרמומטרית

ההגדרה הראשונה לטמפרטורה היא הגדרה תרמומטרית, כלומר הגדרה שמנצלת מדידת תכונה מסוימת של החומר, שמשתנה עם הטמפרטורה, וכיולה בעזרת טמפרטורות ידועות. כך למשל הגדירו את הטמפרטורה בעזרת התרמומטר המוכר לנו שמנצל את תכונת ההתפשטות של החומר עם עליית הטמפרטורה, וקביעת סולם בו ידועות טמפרטורות מיוחדות.

אנדרס צלזיוס קבע ב-1742 את סולם הטמפרטורה שלו כך ש 0 מעלות יציינו את רתיחת המים ולעומת זאת 100 מעלות את קפיאתם. רק לאחר מותו, הוחלף כיוון הסולם. דבר זה מדגיש את שרירותיות הטמפרטורה התרמומטרית. אין משמעות פיזיקאלית אמיתית לאפס של הסולם. גם החלוקה למעלות היא בעייתית, אם לא מובטח שהשינוי בגודל הנמדד (כמו גובה הנוזל בתרמומטר) אכן פרופורציונאלי לטמפרטורה ה"אמיתית".

טמפרטורה תרמודינמית

התרמודינמיקה, שהתפתחה במאה ה-19, קושרת את הטמפרטורה למעבר חום אנרגיה תרמית. חום יזרום באופן ספונטאני מגוף "חם" לגוף "קר" עד אשר שתי המערכות יגיעו לאיזון ויימצאו בשיווי משקל תרמי.

לפיכך מגדירים את הטמפרטורה כך שגופים שנמצאים בשיווי משקל תרמי נמצאים באותה טמפרטורה. אם חום זורם מגוף א' לגוף ב', גוף א' יהיה בטמפרטורה גבוהה יותר. כאשר נוסף חום לגוף מסוים, הטמפרטורה שלה עולה. וכאשר הוא מאבד חום, הטמפרטורה שלו יורדת.

מבחינה פורמאלית, הטמפרטורה מוגדרת בעזרת השינוי הרוורסבילי בחום, והשינוי באנטרופיה – מושג שהומצא בשביל להסביר את התכונה של חום לזרום מגוף בעל טמפרטורה גבוהה לגוף בעל טמפרטורה קרה. ההגדרה היא:

T = \frac{dQ_\mathrm{rev}}{dS} . פיתוח הגדרה זו לטמפרטורה נבע במידה רבה מחקירת מנוע קרנו – מודל תיאורטי למנוע המנצל מעבר חום בין מאגר חם למאגר קר בשביל לייצר עבודה, ביעילות הגבוה ביותר האפשרית באופן תיאורטי.

כאשר יש מערכת בה האנטרופיה היא פונקציה של האנרגיה, הטמפרטורה ניתנת על ידי:

\frac{1}{T} = \frac{dS}{dE} .

יש לשים לב שהטמפרטורה היא גודל אינטנסיבי, כלומר אם ניקח שני גופים בעלי אותה טמפרטורה ונחבר אותם, הטמפרטורה בגוף המחובר תהיה אותה הטמפרטורה כמו בשני החלקים שהרכיבו אותו. זאת בניגוד לחום שהוא גודל אקסטנסיבי: כמות החום האצורה בגוף שמורכב משני גופים שווה לסכום כמויות החום האצורות בכל אחד מהגופים.

הטמפרטורה במכניקה הסטטיסטית

במכניקה הסטטיסטית ניתן להשתמש בהגדרות הטמפרטורה של התרמודינמיקה. אולם בנוסף נחשפות עוד תכונות של הטמפרטורה, שנותנות מושג יותר עמוק על טבעה.

הטמפרטורה פרופורציונית לאנרגיה התרמית הממוצעת לדרגת חופש. כך בגז אידאלי חד אטומי, הטמפרטורה שווה לשני שליש האנרגיה האנרגיה הקינטית הממוצעת של כל אטום.

התפלגות בולצמן מראה פן נוסף של הטמפרטורה.

טמפרטורת החדר

טמפרטורת החדר נקבעה באופן שרירותי על 25 מעלות צלזיוס. המושג משמש בתגובות כימיות.

יישומים

הטמפרטורה היא גודל ותכונה נפוצה מאוד במדע. כמעט כל תחומי המדע עושים שימוש בתכונה זו וחוקרים אותה, ביניהם כימיה, ביולוגיה, פיזיקה ועוד.

תכונות פיזיקליות רבות, כגון מצב צבירה, לחץ, צפיפות, והולכה חשמלית תלויות בטמפרטורה. הטמפרטורה משחקת תפקיד חשוב גם בקביעת הקצב והאופן שבו תגובות כימיות מתרחשות. זוהי הסיבה שבגללה לגוף האדם ישנן מספר מערכות הדואגות לכך שטמפרטורת הגוף תישאר 37 מעלות צלזיוס, שינוי בטמפרטורה זו עלול לגרום לתהליכים מזיקים ותוצאות לא רצויות.

ראו גם

גדלים פיזיקליים | תרמודינמיקה