Температу́ра (от — «надлежащее смешение, нормальное состояние») — скалярная физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.
Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью измерительных приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют так называемую эмпирическую температуру. В эмпирической шкале температур устанавливаются реперные точки и число делений между ними — так были введены используемые ныне шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Измеряемая в кельвинах абсолютная температура вводится по одной реперной точкеВ качестве реперной точки 10-я Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 году приняла тройную точку воды, приписав ей точное значение температуры 273,16 К по определению. с учётом того, что в природе существует минимальное предельное значение температуры — абсолютный нуль. Верхнее значение температуры ограничено планковской температурой.
Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе или скалярном поле температур. В термодинамике температура — интенсивная термодинамическая величина.
Наряду с термодинамическим, в других разделах физики могут вводиться и другие определения температуры. В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы. Температура определяет распределение частиц системы по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана), распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла), степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха), спектральную плотность излучения (см. Формула Планка), полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и так далее. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы.
В Международной системе величин (, ISQ) термодинамическая температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин системы. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единица этой температуры — кельвин — является одной из семи основных единиц СИThe SI brochure Описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный кельвину. Это удобно, так как большинство климатических процессов на Земле и процессов в живой природе связаны с диапазоном от −50 до +50 °С.
Температура как локальный параметр. Температурное поле Физика сплошных сред рассматривает температуру как локальную макроскопическую переменную, то есть величину, характеризующую мысленно выделяемую область (элементарный объём) сплошной среды (континуума), размеры которой бесконечно малы по сравнению с неоднородностями среды и бесконечно велики по отношению к размерам частиц (атомов, ионов, молекул и т. п.) этой среды. Значение температуры может меняться от точки к точке (от одного элементарного объёма к другому); распределение температуры в пространстве в данный момент времени задаётся скалярным полем температуры (температурным полем). Температурное поле может быть как нестационарным (изменяющимся во времени), так и не зависящим от времени стационарным. Среду с одинаковыми во всех точках значениями температуры называют термически однородной. Математически температурное поле описывают уравнением зависимости температуры от пространственных координат (иногда рассмотрение ограничивают одной или двумя координатами) и от времени. Для термически однородных систем
Термодинамическое определение
История термодинамического подхода Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых.
В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой.
Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.
Некоторые квантовомеханические системы (например, рабочее тело лазера, в котором присутствуют инверсно заселённые уровни) могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Отрицательная абсолютная температура).
Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.
Равновесная и неравновесная температуры Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, имеет стационарное температурное поле. Если в такой системе отсутствуют адиабатические (энергонепроницаемые) перегородки, то все части системы имеют одну и ту же температуру. Иначе говоря, равновесная температура термически однородной системы не зависит явно от времени (но может меняться в квазистатических процессах). Неравновесная система в общем случае имеет нестационарное температурное поле, в котором каждый элементарный объём среды имеет собственную неравновесную температуру, в явном виде зависящую от времени.
Температура в феноменологической термодинамике Определение температуры в феноменологической термодинамике зависит от способа построения математического аппарата данной дисциплины (см. Аксиоматика термодинамики).
Отличия в формальных определениях термодинамической температуры в различных системах построения термодинамики не означают большую наглядность некоторых из таких систем по сравнению с другими, ибо во всех этих системах, во-первых, в описательном определении температуру рассматривают как меру нагретости/охлаждённости тела, и, во-вторых, содержательные определения, устанавливающие связь между термодинамической температурой и используемыми для её измерения температурными шкалами, совпадают.
В рациональной термодинамике, изначально отвергающей деление этой дисциплины на термодинамику равновесную и термодинамику неравновесную (то есть не проводящей различия между равновесной и неравновесной температурами), температура есть первоначальная неопределяемая переменная, описываются только такими свойствами, которые можно выразить языком математики. Понятия энергии, температуры, энтропии и химического потенциала вводятся в рациональной термодинамике одновременно; по отдельности определить их принципиально нельзя. Методика введения этих понятий показывает, что можно ввести в рассмотрение много различных температур, отвечающих разным энергетическим потокам. Например, можно ввести температуры трансляционных и спинорных движений, температуру радиационных излучений и т. д.
Нулевое начало (закон) вводит в равновесную термодинамику понятие эмпирической температуры как параметра состояния, равенство которого во всех точках есть условие термического равновесия в системе без адиабатических перегородок.
В подходе к построению термодинамики, используемом последователями Р. Клаузиуса, равновесные параметры состояния — термодинамическую температуру и энтропию — задают посредством термодинамического параметра, характеризующего термодинамический процесс. А именно,
где — количество теплоты, получаемое или отдаваемое закрытой системой в элементарном (бесконечно малом) равновесном процессе. Далее понятие о термодинамической температуре по Клаузиусу распространяют на открытые системы и неравновесные состояния и процессы, обычно не оговаривая специально, что речь идёт о включении в используемый набор законов термодинамики дополнительных аксиом.
В аксиоматике Каратеодори рассматривают как дифференциальную форму Пфаффа, а равновесную термодинамическую температуру — как интегрирующий делитель этой дифференциальной формы.
В системе аксиом А. А. Гухмана изменение внутренней энергии системы в элементарном равновесном процессе выражают через потенциалы взаимодействия и координаты состояния:
причём тепловым потенциалом служит термодинамическая температура , а тепловой координатой — энтропия ; давление (с обратным знаком) играет роль потенциала механического деформационного взаимодействия для изотропных жидкостей и газов, а сопряжённой с давлением координатой служит объём; при химических и фазовых превращениях координатами состояния и потенциалами служат массы компонентов и сопряжённые с ними химические потенциалы. Другими словами, в аксиоматике Гухмана температуру, энтропию и химические потенциалы вводят в равновесную термодинамику одновременно посредством фундаментального уравнения Гиббса. Используемый Гухманом и его последователями термин координаты состояния, в перечень которых наряду с геометрическими, механическими и электромагнитными переменными включают энтропию и массы компонентов, исключает неоднозначность, связанную с термином обобщённые термодинамические координаты: одни авторы относят к обобщённым координатам, помимо прочих переменных, энтропию и массы компонентов, тогда как другие ограничиваются геометрическими, механическими и электромагнитными переменными.)
В термодинамике Гиббса равновесную температуру выражают через внутреннюю энергию и энтропию
где — набор (без энтропии) естественных переменных внутренней энергии, рассматриваемой как характеристические функции. Равенство температур во всех точках системы без адиабатических перегородок как условие термического равновесия в термодинамике Гиббса следует из экстремальных свойств внутренней энергии и энтропии в состоянии термодинамического равновесия.
Аксиоматика Фалька и Юнга при определении энтропии не делает различия между равновесными и неравновесными состояниями, и, следовательно, даваемое в этой системе аксиом определение температуры через энтропию и внутреннюю энергию одинаково применимо для любых термически однородных систем:
где — набор (в который не входит внутренняя энергия) независимых переменных энтропии.
Принцип локального равновесия разрешает для неравновесных систем заимствовать определение температуры из равновесной термодинамики и использовать данную переменную в качестве неравновесной температуры элементарного объёма среды.
В расширенной неравновесной термодинамике (РНТ), базирующейся на отказе от принципа локального равновесия, неравновесную температуру задают посредством соотношения, аналогичного используется в аксиоматике Фалька и Юнга (см. ), но с другим набором независимых переменных для энтропии. Локально-равновесная также отличается от РНТ-неравновесной температуры выбором независимых переменных для энтропии.
В аксиоматике Н. И. Белоконя. исходное определение температуры вытекает из постулата Белоконя, носящего название — постулат второго начала