Sıcaklık

Sıcaklık
	Celsius ve Fahrenheit cinsinden sıcaklığı gösteren iki termometre.
Ortak semboller	T
SI birimi	K
Diğer birimler	°C, °F, °R
SI Boyut	Θ
Yoğunluk?	Yes
Kaynaklı türevler; Diğer miktarlar	,

Sıcaklık, sıcak ve soğuğu nicel olarak ifade eden maddenin fiziksel bir özelliğidir. Bir cisim daha soğuk olan bir başkası ile temas halinde olduğunda, ısı oluşumunun kaynağı olan, bir enerji akışı olan tüm maddelerde mevcut olan termal enerjinin tezahürüdür.

Sıcaklık bir termometre ile ölçülür. Termometreler, tarihsel olarak tanım için çeşitli referans noktaları ve termometrik maddeler kullanan çeşitli sıcaklık ölçeklerinde kalibre edilir. En yaygın ölçekler, Santigrat ölçeği (önceden santigrat olarak adlandırılır, °C olarak gösterilir), Fahrenheit ölçeği (°F olarak gösterilir) ve sonuncusu Uluslararası Birimler Sisteminin (SI) konvansiyonları tarafından ağırlıklı olarak bilimsel amaçlar için kullanılan Kelvin ölçeği (K ile gösterilir).

En düşük teorik sıcaklık, bir cisimden daha fazla termal enerjinin çıkarılamayacağı mutlak sıfırdır. Deneysel olarak, termodinamiğin üçüncü yasasında tanınan, sadece çok yakından yaklaşılabilir, ancak ulaşılamaz.

Sıcaklık, fizik, kimya, yer bilimi, tıp, biyoloji, ekoloji ve coğrafya dahil olmak üzere doğa biliminin tüm alanlarında ve günlük yaşamın birçok alanında önemlidir.

Etkileri

Aşağıdakiler gibi birçok fiziksel süreç sıcaklıkla ilgilidir:

faz (katı, sıvı, gaz veya plazma), yoğunluk, çözünürlük, buhar basıncı, elektriksel iletkenlik dahil malzemelerin fiziksel özellikleri,
kimyasal reaksiyonların meydana gelme hızı ve derecesi,
bir nesnenin yüzeyinden yayılan termal radyasyonun miktarı ve özellikleri ve
mutlak sıcaklığın karekökünün bir fonksiyonu olan ses hızı.

Ölçekler

Sıcaklık ölçekleri iki şekilde farklılık gösterir: sıfır derece olarak seçilen nokta ve ölçekte artan birimlerin veya derecelerin büyüklükleri.

Yaygın olarak kullanılan ölçekler

Santigrat ölçeği (°C) dünyanın çoğu yerinde ortak sıcaklık ölçümleri için kullanılır. Sıfır noktası 0 °C'nin suyun donma noktasıyla tanımlanmasına ve 100 °C'nin suyun kaynama noktası olması için tanımlanan ek derecelere yol açan tarihsel bir ilerlemeyle geliştirilen ampirik bir ölçektir. 100 derecelik aralık nedeniyle santigrat ölçeği olarak adlandırıldı. Kelvin'in Uluslararası Birimler Sisteminde standardizasyonundan bu yana, daha sonra Kelvin ölçeğindeki eşdeğer sabitleme noktaları açısından yeniden tanımlandı ve böylece bir santigrat derecelik bir sıcaklık artışı, bir kelvin artışıyla aynı olur, ancak yaklaşık 273.15'lik bir katkı ofseti ile farklılık gösterirler.

Amerika Birleşik Devletleri yaygın olarak suyun 32 °F'de donduğu ve deniz seviyesinde atmosferik basınçta 212 °F'de kaynadığı Fahrenheit ölçeğini kullanır.

Mutlâk sıfır noktası

Sıcaklığın mutlak sıfırında, termodinamiğin üçüncü yasasında ifade edilen bir gerçek olan, maddeden ısı olarak artık enerji çıkarılamaz. Bu sıcaklıkta madde, makroskopik termal enerji içermez, ancak belirsizlik ilkesinin öngördüğü gibi kuantum mekanik sıfır noktası enerjisine hala sahiptir. Bu, mutlak sıcaklık tanımına girmez. Deneysel olarak, mutlak sıfıra ancak çok yakından yaklaşılabilir, ancak gerçekte asla ulaşılamaz. Bir sistemi mutlak sıfıra soğutmak mümkün olsaydı, parçacıklarının tüm klasik hareketi durur ve bu klasik anlamda tamamen hareketsiz kalırlardı. 0 K olarak tanımlanan mutlak sıfır, yaklaşık olarak -273,15 °C veya -459,67 °F'ye eşittir.

Mutlak ölçekler

Boltzmann sabitine, Maxwell-Boltzmann dağılımına ve Gibbs tanımından farklı olarak, parçacıklar arası potansiyel enerjiyi göz ardı ederek, bağımsız olarak hareket eden mikroskobik parçacıklar için entropinin Boltzmann istatistiksel mekanik tanımına atıfta bulunarak, uluslararası anlaşma ile bir sıcaklık ölçeği tanımlanır ve mutlak olduğu söylenir çünkü belirli termometrik maddelerin özelliklerinden ve termometre mekanizmalarından bağımsızdır. Mutlak sıfır dışında bir referans sıcaklığa sahip değildir. Bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanılan Kelvin ölçeği olarak bilinir. Kelvin (kelime küçük harfle k ile yazılır) Uluslararası Birimler Sistemindeki (SI) sıcaklık birimidir. Kendi termodinamik denge durumundaki bir cismin sıcaklığı, mutlak sıfıra göre daima pozitiftir.

Uluslararası kabul görmüş Kelvin ölçeğinin yanı sıra, Kelvin tarafından icat edilen ve ayrıca mutlak sıfır sıcaklığındaki sayısal sıfır olan, ancak doğrudan makroskopik entropi dahil olmak üzere tamamen makroskopik termodinamik kavramlarla ilgili olan, ancak mikroskobik olarak Parçacıklar arası potansiyel enerjinin yanı sıra bağımsız parçacık hareketini de hesaba katan kanonik topluluk için entropinin Gibbs istatistiksel mekanik tanımı, böylece mutlak sıfıra yakın sıcaklıkların ölçümlerini hesaba katabilir. Bu ölçek, sayısal değeri yukarıda belirtilen uluslararası kabul görmüş Kelvin ölçeği kullanılarak yapılan ölçümlerle tanımlanan suyun üçlü noktasında bir referans sıcaklığa sahiptir.

Protein alfa sarmalının bir bölümünün termal titreşimi: Titreşimlerin genliği sıcaklıkla artar.

Uluslararası Kelvin ölçeği

Birçok bilimsel ölçüm, adını ilk kez tanımlayan fizikçinin onuruna verilen Kelvin sıcaklık ölçeğini (birim sembolü: K) kullanır. Mutlak bir ölçektir. Sayısal sıfır noktası 0 K, mutlak sıfır sıcaklığındadır. Mayıs 2019'dan bu yana dereceleri parçacık kinetik teorisi ve istatistiksel mekanik ile tanımlandı. Uluslararası Birimler Sisteminde (SI), kelvin büyüklüğü, mikroskobik parçacıkların ortalama kinetik enerjilerinin çeşitli ampirik ölçümleriyle tanımlanır. Değeri uluslararası sözleşmeyle sabit olarak tanımlanan Boltzmann sabiti açısından sayısal olarak değerlendirilir.

İstatistiksel mekanik ve termodinamik sıcaklık ölçekleri

Mayıs 2019'dan bu yana, Kelvin'in büyüklüğü, istatistiksel mekanik açısından karakterize edilen mikroskobik olaylarla ilişkili olarak tanımlanmaktadır. Daha önce, 1954'ten beri, Uluslararası Birimler Sistemi, kelvin için bir ölçek ve birimi, ikinci bir referans noktası olarak üçlü su noktasının güvenilir bir şekilde tekrarlanabilir sıcaklığını kullanarak, termodinamik bir sıcaklık olarak tanımlamıştır; ilk referans noktası, mutlak olarak sıfır 0 K'dir.

Tarihsel olarak, suyun üçlü nokta sıcaklığı tam olarak 273.16 birimlik ölçüm artışı olarak tanımlandı. Bugün ampirik olarak ölçülen bir niceliktir. Deniz seviyesinde atmosfer basıncında suyun donma noktası yaklaşık 273.15 K = 0 °C'de gerçekleşir.

Ölçeklerin sınıflandırılması

Çeşitli sıcaklık ölçeği türleri vardır. Bunları deneysel ve teorik temelli olarak sınıflandırmak uygun olabilir. Ampirik sıcaklık ölçekleri tarihsel olarak daha eskidir, teorik temelli ölçekler ise on dokuzuncu yüzyılın ortalarında ortaya çıkmıştır.

Ampirik ölçekler

Ampirik tabanlı sıcaklık ölçekleri, doğrudan malzemelerin basit makroskopik fiziksel özelliklerinin ölçümlerine dayanır. Örneğin, cam duvarlı bir kılcal boru içinde hapsedilmiş bir cıva sütununun uzunluğu büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır ve çok kullanışlı cam içinde cıva termometrenin temelini oluşturur. Bu tür ölçekler yalnızca uygun sıcaklık aralıklarında geçerlidir. Örneğin, cıvanın kaynama noktasının üzerinde, bir cam içinde cıva termometresi uygulanamaz. Çoğu malzeme sıcaklık artışıyla genleşir, ancak su gibi bazı malzemeler, belirli bir aralıkta sıcaklık artışıyla büzülür ve daha sonra termometrik malzemeler olarak pek kullanışlı değildir. Bir malzeme, örneğin kaynama noktası gibi faz değişim sıcaklıklarından birine yakın bir termometre olarak kullanılmaz.

Bu sınırlamalara rağmen, en genel olarak kullanılan pratik termometreler ampirik temelli türdendir. Özellikle termodinamiğin keşfedilmesine büyük katkı sağlayan kalorimetri için kullanılmıştır. Bununla birlikte, ampirik termometrinin teorik fizik için bir temel olarak değerlendirildiğinde ciddi dezavantajları vardır. Ampirik tabanlı termometreler, termometrik malzemelerin sıradan fiziksel özelliklerinin basit doğrudan ölçümleri olarak temellerinin ötesinde, teorik fiziksel akıl yürütme kullanılarak yeniden kalibre edilebilir ve bu yeterlilik aralıklarını genişletebilir.

Teorik ölçekler

Teorik temelli sıcaklık ölçekleri doğrudan teorik argümanlara, özellikle kinetik teori ve termodinamiğe dayanmaktadır. Pratik olarak uygulanabilir fiziksel cihazlarda ve materyallerde az çok ideal olarak gerçekleştirilmektedirler. Teorik tabanlı sıcaklık ölçekleri, pratik ampirik tabanlı termometreler için kalibrasyon standartları sağlamak için kullanılır.

Kinetik teori yaklaşımı

Kelvin'in büyüklüğü şimdi Boltzmann sabitinin değerinden türetilen kinetik teori ile tanımlanmaktadır.

Kinetik teori, makroskopik sistemlerin çeşitli türlerin molekülleri ve iyonları gibi birçok mikroskobik partikülden oluşmasına dayanarak, özellikle gazlar olmak üzere bazı materyal kütleleri için mikroskobik bir sıcaklık hesabı sağlar. Makroskopik olayları, mikroskobik parçacıkların klasik mekaniği aracılığıyla açıklar. Kinetik teorinin eş bölüşüm teoremi, serbestçe hareket eden bir parçacığın her klasik serbestlik derecesinin, $k B$ 'nin Boltzmann sabitini temsil ettiği $k B T /2$ 'lik bir ortalama kinetik enerjiye sahip olduğunu ileri sürer. Parçacığın öteleme hareketinin üç serbestlik derecesi vardır, böylece kuantum etkilerinin baskın olduğu çok düşük sıcaklıklar dışında, $T$ sıcaklığına sahip bir sistemde serbestçe hareket eden bir parçacığın ortalama öteleme kinetik enerjisi $3 k B T /2$ olacaktır.

Oksijen (O₂) gibi moleküller, tek küresel atomlara göre daha fazla serbestlik derecesine sahiptir: dönme ve titreşim hareketlerine ve ötelemelere maruz kalırlar. Isıtma, moleküllerin ortalama öteleme kinetik enerjisindeki bir artışa bağlı olarak sıcaklıkta bir artışa neden olur. Isıtma aynı zamanda, eş bölümleme yoluyla, titreşim ve dönme modları ile ilişkili enerjinin artmasına neden olacaktır. Bu nedenle, diatomik bir gaz, sıcaklığını belirli bir miktar artırmak için daha fazla enerji girdisine ihtiyaç duyacaktır, yani tek atomlu bir gazdan daha büyük bir ısı kapasitesine sahip olacaktır.

Yukarıda belirtildiği gibi, bir gazdaki sesin hızı, gazın moleküler karakterinden, sıcaklığından ve basıncından ve Boltzmann sabiti değerinden hesaplanabilir. Boltzmann sabitinin değerini, tam olarak tanımlanmış değerin öncelikli olarak tanımlanmış referansı olarak alarak, ses hızının bir ölçümü, gazın sıcaklığının daha hassas bir ölçümünü sağlayabilir.

Bileşen mikroskobik parçacıkların ortalama kinetik enerjisini, sistemin kütlesinden kapsayıcı duvardaki küçük bir delikten kaçmalarına izin verilirse ölçmek mümkündür. Hız spektrumu ölçülmeli ve bundan ortalama hesaplanmalıdır. Kaçan ve ölçülen parçacıkların, sistemin büyük bölümünde kalan parçacıklarla aynı hız dağılımına sahip olması zorunlu değildir, ancak bazen iyi bir örnek mümkündür.

Termodinamik yaklaşım

Sıcaklık, termodinamik çalışmasındaki temel değerlerden biridir. Eskiden kelvin'in büyüklüğü termodinamik terimlerle tanımlanıyordu, ancak günümüzde yukarıda belirtildiği gibi kinetik teori açısından tanımlanıyor.

Termodinamik sıcaklığın iki nedenden dolayı mutlak olduğu söyleniyor. Birincisi, biçimsel karakterinin belirli malzemelerin özelliklerinden bağımsız olmasıdır. Diğer neden, sıfırın bir anlamda mutlak olmasıdır, çünkü termodinamiğin üçüncü yasaya göre, maddenin kurucu parçacıklarının mikroskobik klasik hareketinin yokluğunu gösterir, böylece sıfır sıcaklık için sınırlayıcı bir özgül ısıya sahiptirler. Bununla birlikte, bir termodinamik sıcaklığın aslında gelenek tarafından keyfi olarak seçilen ve belirli bir materyalin özelliğine bağlı olan belirli bir sayısal değeri vardır; Celsius ve Fahrenheit gibi göreli "derece" ölçeklerinden daha az keyfidir. Bir sabit noktalı (sıfır) mutlak bir ölçek olduğundan, göreli ölçeklerde olduğu gibi iki yerine, keyfi seçime yalnızca bir derece serbestlik bırakılmıştır. Mayıs 2019'dan bu yana Kelvin ölçeği için, uluslararası konvansiyonla, moleküler hareketle ilgili mikroskobik kinetik teorilere dayanarak, çeşitli termometrik cihazların çalışma modları bilgisini kullanma seçimi yapılmıştır. Sayısal ölçek, makroskopik sıcaklığı moleküller gibi parçacıkların ortalama mikroskobik kinetik enerjisiyle ilişkilendiren Boltzmann sabitinin değerinin geleneksel bir tanımıyla belirlenir. Sayısal değeri isteğe bağlıdır ve Kelvin Celsius ile olduğu gibi Fahrenheit ölçeği ile hizalanacak şekilde yapılmış, Rankine ölçeği adı verilen alternatif, daha az yaygın olarak kullanılan bir mutlak sıcaklık ölçeği mevcuttur.

Sıcaklığın termodinamik tanımı Kelvin'den kaynaklanmaktadır. Carnot motoru adı verilen idealize edilmiş bir cihazla çerçevelenmiştir ve çalışma gövdesinin bir durum döngüsünü kat eden ardışık süreçlerin kurgusal bir sürekli döngüsünde çalıştığı düşünülür. Motor, sıcak bir rezervuardan bir miktar $Q 1$ ısı alır ve daha az miktarda $Q 2$ ısısını soğuk bir rezervuara aktarır. Enerjideki fark termodinamik çalışma olarak bir çalışma rezervuarına aktarılır ve motorun çıktısı olarak kabul edilir. Döngünün o kadar yavaş çalıştığı sanılmaktadır ki, döngünün her noktasında çalışan cisim termodinamik denge durumundadır. Döngünün birbirini izleyen süreçlerinin bu nedenle entropi üretimi olmadan tersine çevrilebileceği hayal edilir. Daha sonra, çalışma gövdesi ısıtıldığında sıcak rezervuardan alınan entropi miktarı, çalışma gövdesi soğutulduğunda soğuk rezervuara geçirilene eşittir. Daha sonra rezervuarların mutlak veya termodinamik sıcaklıkları, $T 1$ ve $T 2$ , öyle olacak şekilde tanımlanır:

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

(1)

Termodinamiğin sıfırıncı yasası, bu tanımın, diğer ısı rezervuarının ilgilenilen cisimle aynı sıcaklığa sahip olmasını sağlayarak, ilgili rastgele bir cismin mutlak veya termodinamik sıcaklığını ölçmek için kullanılmasına izin verir.

Kelvin'in mutlak sıcaklığı öne süren orijinal çalışması 1848'de yayınlandı. Termodinamiğin birinci yasasının formülasyonundan önce Carnot'un çalışmasına dayanıyordu. Carnot'un ısı konusunda sağlam bir anlayışı ve belirli bir entropi kavramı yoktu. 'Kalorik' yazdı ve sıcak rezervuardan geçen tüm kalorinin soğuk rezervuara geçtiğini söyledi. Kelvin, 1848 tarihli makalesinde, ölçeğinin "herhangi bir özel maddenin özelliklerinden bağımsız olarak" tanımlanması anlamında mutlak olduğunu yazdı. Az önce belirtilen tanımı ortaya koyan kesin yayını, 1851'de okunan bir makale olan 1853'te basıldı.

Sayısal ayrıntılar önceden, ısı rezervuarlarından birinin 273,16 K mutlak sıcaklığa sahip olarak tanımlanan suyun üçlü noktasında bir hücre haline getirilmesiyle oluşturulmuştu. Günümüzde, sayısal değer bunun yerine yukarıdaki gibi mikroskobik istatistiksel mekanik uluslararası tanım yoluyla ölçümden elde edilmektedir.

Yoğun değişkenlik

Termodinamik terimlerle, sıcaklık yoğun bir değişkendir çünkü belirli bir cisim için bir kapsamlı değişkenin diğerine göre diferansiyel katsayısına eşittir. Dolayısıyla, iki kapsamlı değişken oranının boyutlarına sahiptir. Termodinamikte, iki cismin genellikle bazı özel geçirgenlik özelliklerine sahip ortak bir duvarla temas yoluyla birbirine bağlı olduğu kabul edilir. Bu tür spesifik geçirgenlik, belirli bir yoğun değişken olarak adlandırılabilir. Bir örnek, yalnızca ısıyı geçiren bir diatermik duvardır; bu durum için yoğun değişken sıcaklıktır. İki cisim çok uzun süredir temas halindeyken ve kalıcı bir kararlı duruma yerleştiğinde, ilgili yoğun değişkenler iki cisimde eşittir; diyatermik bir duvar için bu ifade bazen termodinamiğin sıfırıncı yasası olarak adlandırılır.

Özellikle cisim, entropisi $S$ 'nin bir fonksiyonu olarak geniş bir değişken olan iç enerjisi $U$ belirtilerek tanımlandığında, ayrıca geniş bir değişken ve diğer durum değişkenleri $V, N$ $U = U (S, V, N$ ) ise, bu durumda sıcaklık, entropiye göre iç enerjinin kısmi türevine eşittir:

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

(2)

Aynı şekilde, cisim entropisi $S$ 'yi iç enerjisinin $U$ bir fonksiyonu olarak ifade ederek tanımlandığında ve diğer durum değişkenleri $V, N$ , $S = S (U, V, N)$ ise, o zaman sıcaklığın tersi, entropinin iç enerjiye göre kısmi türevine eşittir:

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

(3)

Mutlak sıcaklığın yukarıdaki tanımı denklem (1) Kelvin'den kaynaklanmaktadır. Madde transferine kapalı sistemlere atıfta bulunur ve doğrudan deneysel prosedürlere özel vurgu yapar. Gibbs'in termodinamik sunumu daha soyut bir düzeyde başlar ve madde transferine açık sistemlerle ilgilidir; Termodinamiğin bu gelişiminde, yukarıdaki (2) ve (3) denklemleri aslında sıcaklığın alternatif tanımlarıdır.

Yerel termodinamik denge

Gerçek dünyadaki cisimler genellikle termodinamik dengede değildir ve homojen değildir. Klasik geri çevrilemez termodinamik yöntemleriyle çalışmak için, bir cisim genellikle uzaysal ve zamansal olarak kavramsal olarak küçük boyutlu 'hücrelere' bölünür. Maddenin klasik termodinamik denge koşulları, böyle bir 'hücrede' iyi bir yaklaşımla karşılanırsa, o zaman homojendir ve onun için bir sıcaklık vardır. Cisimin her 'hücresi' için böyleyse, o zaman cisimde yerel termodinamik dengenin hüküm sürdüğü söylenir.

Örneğin, geniş değişken $U$ veya geniş değişken $S$ için, birim hacim başına yoğunluğa veya sistemin birim kütlesi başına bir miktarına sahip olduğunu söylemek mantıklıdır, ancak birim hacim başına sıcaklık yoğunluğundan veya sistemin birim kütlesi başına sıcaklık miktarından söz etmenin bir anlamı yoktur. Öte yandan, bir noktada iç enerjiden bahsetmenin bir anlamı yokken, yerel termodinamik denge hakim olduğunda, bir noktadaki sıcaklıktan bahsetmek mantıklıdır. Sonuç olarak, küresel termodinamik dengede olmayan, ancak yerel termodinamik dengenin olduğu bir ortamda sıcaklık noktadan noktaya değişebilir.

Bu nedenle, bir cisimde yerel termodinamik denge hüküm sürdüğünde, sıcaklık o cisimde mekansal olarak değişen yerel bir özellik olarak kabul edilebilir ve bunun nedeni sıcaklığın yoğun bir değişken olmasıdır.

Temel teori

Sıcaklık, bir malzeme durumunun kalitesinin ölçüsüdür. Kalite, onu ölçen herhangi bir belirli sıcaklık ölçeğinden daha soyut bir varlık olarak kabul edilebilir ve bazı yazarlar tarafından sıcaklık olarak adlandırılır. Sıcaklığın kalitesi, yalnızca belirli bir bölgedeki malzemenin durumuna atıfta bulunur ve genel olarak, sabit bir termodinamik denge durumunda tutulan cisimlerden ayrı olarak, sıcaklık, yerden yere değişir. Belirli bir yerdeki bir malzemenin, iyi tanımlanmış bir sıcaklığa veya sıcaklığa sahip olmasına izin verecek kadar sabit ve neredeyse homojen bir durumda olması zorunlu değildir. Sıcaklık, tek boyutlu bir manifold olarak soyut olarak temsil edilebilir. Her geçerli sıcaklık ölçeğinin, sıcaklık manifolduna yönelik bire bir haritası vardır.

Termal temas halindeki iki sistem aynı sıcaklıkta olduğunda aralarında ısı transferi olmaz. Bir sıcaklık farkı mevcut olduğunda, ısı, termal dengeye gelene kadar daha sıcak sistemden daha soğuk sisteme kendiliğinden akar. Bu tür bir ısı transferi, iletim veya termal radyasyonla gerçekleşir.

Deneysel fizikçiler, örneğin Galileo ve Newton, sonsuz sayıda ampirik sıcaklık ölçeği olduğunu buldular. Bununla birlikte, termodinamiğin sıfırıncı yasası, hepsinin aynı kaliteyi ölçtüğünü söylüyor. Bu, kendi iç termodinamik denge durumundaki bir cisim için, cisimin sıcaklığını ölçen her türden, doğru şekilde kalibre edilmiş her termometrenin bir ve aynı sıcaklığı kaydettiği anlamına gelir. Kendi iç termodinamik denge durumunda olmayan bir gövde için, farklı termometreler, sırasıyla termometrelerin çalışma mekanizmalarına bağlı olarak farklı sıcaklıkları kaydedebilir.

Termodinamik dengede cisimler

Deneysel fizik için, sıcaklık, herhangi iki belirli cismi ilgili ayrı termodinamik dengelerinde karşılaştırırken, sayısal ölçek okumaları olan uygun şekilde verilen herhangi iki ampirik termometrenin, verilen iki cismin hangisinin daha sıcak olduğu veya bunlara sahip oldukları aynı sıcaklık konusunda hemfikir olacağı anlamına gelir. Bu, iki termometrenin sayısal ölçek okumaları arasında doğrusal bir ilişkiye sahip olmasını gerektirmez, ancak sayısal okumaları arasındaki ilişkinin kesinlikle tekdüze olmasını gerektirir. Kalorimetriden, termodinamikten ve belirli malzemelerin özelliklerinden bağımsız olarak, Wien'in termal radyasyonun yer değiştirme yasasından daha büyük bir sıcaklık hissi elde edilebilir: termal radyasyon banyosunun sıcaklığı, evrensel bir sabit ile orantılıdır. frekans spektrumunun maksimum frekansı; bu frekans her zaman pozitiftir, ancak sıfıra meyilli değerlere sahip olabilir. Termal radyasyon başlangıçta termodinamik dengede bir boşluk için tanımlanır. Bu fiziksel gerçekler, sıcaklığın düzenli bir tek boyutlu manifoldda var olduğuna dair matematiksel bir ifadeyi haklı çıkarır. Bu, kendi termodinamik dengelerindeki cisimler için sıcaklık ve termometrelerin temel bir karakteridir.

Buzun erimesi gibi birinci dereceden bir faz değişikliğine uğrayan bir sistem dışında, kapalı bir sistem ısı aldığında, hacminde değişiklik olmaksızın ve üzerine etki eden dış kuvvet alanlarında değişiklik olmaksızın sıcaklığı yükselir. Termodinamik dengeden ayrılma ihmal edilebilecek kadar yavaş bir faz değişimine uğrayan bir sistem için, sistem gizli ısı ile beslendiğinden sıcaklığı sabit kalır. Tersine, faz değişikliği olmaksızın, hacim değişikliği olmaksızın ve üzerine etki eden dış kuvvet alanlarında değişiklik olmaksızın kapalı bir sistemden ısı kaybı, sıcaklığını düşürür.

Sabit durumda olan ancak termodinamik dengede olmayan cisimler

Kendi termodinamik denge durumlarındaki cisimler için sıcaklık kavramı, tüm ampirik termometrelerin iki cisimden hangisinin daha sıcak olduğu veya aynı sıcaklıkta oldukları konusunda hemfikir olmasını gerektirir bu gereklilik, termodinamik dengede olmasa da sabit durumda olan cisimler için güvenli değildir. O halde, farklı ampirik termometreler hangisinin daha sıcak olduğu konusunda hemfikir olmayabilir ve eğer öyleyse, cisimlerin en az biri iyi tanımlanmış bir mutlak termodinamik sıcaklığa sahip değildir. Bununla birlikte, herhangi bir cisim ve herhangi bir uygun ampirik termometre, uygun bir proses aralığı için, ampirik, mutlak olmayan, sıcaklık ve sıcaklık kavramlarını hala destekleyebilir. Bu, denge dışı termodinamikte çalışmak için bir konudur.

Sabit durumda olmayan cisimler

Bir cisim sabit durumda olmadığında, sıcaklık kavramı, termodinamik dengede olmayan sabit bir durumda olan bir cisim için olduğundan daha az güvenli hale gelir. Bu aynı zamanda denge dışı termodinamikte çalışma konusudur.

Termodinamik denge aksiyomatiği

Termodinamik dengenin aksiyomatik davranışı için, 1930'lardan beri, termodinamiğin sıfırıncı yasasına atıfta bulunmak geleneksel hale geldi. Böyle bir yasanın geleneksel olarak ifade edilen minimalist versiyonu, yalnızca, termal olarak bağlandığında termal dengede olacak tüm cisimlerin tanım gereği aynı sıcaklığa sahip olduğunun söylenmesi gerektiğini varsayar ancak sıcaklığı, bir ölçekte gerçek sayı olarak ifade edilen bir miktar olarak belirlemez. Böyle bir yasanın fiziksel olarak daha bilgilendirici bir versiyonu, ampirik sıcaklığı, bir sıcaklık manifoldundaki bir grafik olarak görür. Sıfırıncı yasa birçok farklı ampirik sıcaklık ölçeğinin tanımlanmasına izin verirken, termodinamiğin ikinci yasası, termodinamik sıcaklık olarak adlandırılan keyfi bir ölçek faktörüne kadar benzersiz olan tek bir tercih edilen, mutlak sıcaklığın tanımını seçer. İç enerji, termodinamik dengede homojen bir sistemin hacminin ve entropisinin bir fonksiyonu olarak kabul edilirse, termodinamik mutlak sıcaklık, sabit hacimdeki entropiye göre iç enerjinin kısmi türevi olarak görünür. Doğal, içsel kaynağı veya sıfır noktası, herhangi bir sistemin entropisinin minimumda olduğu mutlak sıfırdır. Bu model tarafından tanımlanan en düşük mutlak sıcaklık olmasına rağmen, termodinamiğin üçüncü yasası, mutlak sıfırın herhangi bir fiziksel sistem tarafından elde edilemeyeceğini varsayar.

Isı kapasitesi

Bir cisimde veya bir cisimden enerji transferi sadece ısı olarak gerçekleştiğinde, cisimin durumu değişir. Çevreye ve onları cisimden ayıran duvarlara bağlı olarak cisimde çeşitli değişiklikler mümkündür. Kimyasal reaksiyonlar, basınç artışı, sıcaklık artışı ve faz değişimini içerir. Belirtilen koşullar altındaki her tür değişiklik için ısı kapasitesi, transfer edilen ısı miktarının değişimin büyüklüğüne oranıdır. Örneğin, eğer değişim, sabit hacimde, faz değişimi olmaksızın ve kimyasal değişim olmaksızın sıcaklıkta bir artış ise, o zaman cisimin sıcaklığı yükselir ve basıncı artar. Aktarılan ısı miktarı, $Δ Q$ , gözlemlenen sıcaklık değişikliği $Δ T$ 'ye bölünür, cisimin sabit hacimdeki ısı kapasitesidir:

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

İyi tanımlanmış bir madde miktarı için ısı kapasitesi ölçülürse, özgül ısı, böyle bir birim miktarın sıcaklığını bir birim sıcaklık arttırmak için gereken ısının ölçüsüdür. Örneğin, suyun sıcaklığını bir kelvin (bir santigrat dereceye eşit) yükseltmek için kilogram başına 4186 joule (J/kg) gerekir.

Ölçüm

Modern bilimsel termometreler ve sıcaklık ölçekleri kullanılarak yapılan sıcaklık ölçümü, Gabriel Fahrenheit'in hem bir termometre (cıvaya geçiş) hem de Ole Christensen Rømer tarafından geliştirilen bir ölçek uyarladığı 18. yüzyılın başlarına kadar uzanmaktadır. Fahrenheit'in ölçeği, Amerika Birleşik Devletleri'nde bilimsel olmayan uygulamalar için hala kullanılıyor.

Sıcaklık, çeşitli sıcaklık ölçeklerine göre kalibre edilebilen termometreler ile ölçülür. Dünyanın çoğunda (Belize, Myanmar, Liberya ve Amerika Birleşik Devletleri hariç), Celsius ölçeği çoğu sıcaklık ölçüm amacı için kullanılmaktadır. Çoğu bilim insanı sıcaklığı Santigrat ölçeğini ve termodinamik sıcaklığı kullanarak, sıfır noktası 0 K = -273,15 °C veya mutlak sıfır olacak şekilde Santigrat ölçeği ofseti olan Kelvin ölçeğini kullanarak ölçer. ABD'deki birçok mühendislik alanı, özellikle yüksek teknoloji ve ABD federal şartnameleri (sivil ve askeri) de Kelvin ve Celsius ölçeklerini kullanır. ABD'deki diğer mühendislik alanları da yanma gibi termodinamik ile ilgili disiplinlerde çalışırken Rankine ölçeğine (kaydırılmış bir Fahrenheit ölçeği) güveniyor.

Birimler

Uluslararası Birim Sistemindeki (SI) temel sıcaklık birimi Kelvin'dir. K sembolüne sahiptir.

Günlük uygulamalar için, 0 °C'nin suyun donma noktasına çok yakın olduğu ve 100 °C'nin deniz seviyesindeki kaynama noktası olduğu Celsius ölçeğini kullanmak genellikle uygundur. Bulutlarda genellikle sıfırın altındaki sıcaklıklarda sıvı damlacıkları bulunduğundan, 0 °C buzun erime noktası olarak daha iyi tanımlanır. Bu ölçekte 1 santigrat derece sıcaklık farkı 1kelvin artışıyla aynıdır, ancak ölçek, buzun eridiği sıcaklıkla (273.15 K) dengelenir.

Uluslararası anlaşma ile Mayıs 2019'a kadar Kelvin ve Santigrat ölçekleri iki sabitleme noktasıyla tanımlandı: mutlak sıfır ve belirli bir hidrojen ve oksijen izotopları karışımı ile özel olarak hazırlanmış su olan Viyana Standart Ortalama Okyanus Suyu'nun üçlü noktası. Mutlak sıfır, tam olarak 0 K ve -273,15 °C olarak tanımlandı. Maddeyi oluşturan parçacıkların tüm klasik öteleme hareketlerinin durduğu ve klasik modelde tamamen hareketsiz kaldığı sıcaklıktır. Kuantum-mekaniği olarak ise, sıfır noktası hareketi kalır ve ilişkili bir enerjisi, sıfır noktası enerjisi vardır. Madde temel durumundadır ve termal enerji içermez. Suyun üçlü noktası 273.16 K ve 0.01 °C olarak tanımlanır. Bu tanım aşağıdaki amaçlara hizmet etti: kelvin büyüklüğünü, mutlak sıfır ve suyun üçlü noktası arasındaki farkın 273.16 bölümünde tam olarak 1 kısım olarak sabitledi; bir kelvin'in Celsius ölçeğindeki bir derece ile tam olarak aynı büyüklüğe sahip olduğunu tespit eder; ve bu ölçeklerin sıfır noktaları arasındaki farkı 273.15 K (0 K = −273.15 °C ve 273.16 K = 0.01 °C) olarak belirlemiştir. 2019'dan bu yana Boltzmann sabitine dayalı yeni bir tanım yapıldı, ancak ölçekler pek değişmedi.

Amerika Birleşik Devletleri'nde, Fahrenheit ölçeği yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu ölçekte suyun donma noktası 32 °F'ye ve kaynama noktası 212 °F'ye karşılık gelir. ABD'de hala kimya mühendisliği alanlarında kullanılan Rankine ölçeği, Fahrenheit artışına dayalı mutlak bir ölçektir.

Dönüştürme

Aşağıdaki tablo, Santigrat ölçeğine ve Santigrat ölçeğinden dönüşümler için sıcaklık dönüştürme formüllerini gösterir.

Sıcaklık dönüşümleri
	Selsius den	- Selsius
Fahrenhayt	[°F] = [°C] × ⁹⁄₅ + 32	[°C] = ([°F] − 32) × ⁵⁄₉
Kelvin	[K] = [°C] + 273.15	[°C] = [K] − 273.15
Rankine	[°R] = ([°C] + 273.15) × ⁹⁄₅	[°C] = ([°R] − 491.67) × ⁵⁄₉
Delisle	[°De] = (100 − [°C]) × ³⁄₂	[°C] = 100 − [°De] × ²⁄₃
Newton	[°N] = [°C] × ³³⁄₁₀₀	[°C] = [°N] × ¹⁰⁰⁄₃₃
Réaumur	[°Ré] = [°C] × ⁴⁄₅	[°C] = [°Ré] × ⁵⁄₄
Rømer	[°Rø] = [°C] × ²¹⁄₄₀ + 7.5	[°C] = ([°Rø] − 7.5) × ⁴⁰⁄₂₁

Plazma fiziği

Plazma fiziği alanı, çok yüksek sıcaklıkları içeren elektromanyetik doğa olaylarıyla ilgilenir. Sıcaklığı, elektronvolt (eV) veya kiloelektronvolt (keV) birimlerinde enerji olarak ifade etmek gelenekseldir. Sıcaklıktan farklı bir boyutu olan enerji, daha sonra Boltzmann sabiti ve sıcaklığın ürünü, $E=k_{\text{B}}T$ olarak hesaplanır. Daha sonra, 1 eV 11605 K'ye karşılık gelir. QCD maddesinin çalışmasında, rutin olarak, yaklaşık 10¹² K'ye eşdeğer birkaç yüz MeV düzeyinde sıcaklıklarla karşılaşılır.