Temperatur

For spesialartikkel om temperatur i meteorologien, se Temperatur (meteorologi).

Temperatur (fra latin temperatura, grunnbetydning «passende blanding»)^[1] er den fysiske egenskapen som er det viktigste grunnlaget for om en gjenstand oppfattes som varm eller kald.^[2] Gjenstanden med høyest temperatur vil ved berøring kjennes varmest, forutsatt at den har minst like stor varmeledningsevne som gjenstanden med lavere temperatur. Temperatur er direkte knyttet til mengden termisk energi (varme) i systemet, det vil si tilfeldige bevegelser i atomer og molekyler i systemet.^[3] Temperatur gir bare mening for store systemer med mange partikler, som atmosfæren, havet, menneskekroppen eller sola. Man kan således ikke snakke om temperaturen til et atom. Temperatur er også bare knyttet til tilfeldige bevegelser. Tilfeldige bevegelser står i kontrast til ordnede, mekaniske bevegelser, for eksempel faller en stein i et tyngdefelt like fort uavhengig av steinens temperatur.

Det finnes en nedre grense for hvor kaldt det kan bli.^[4] Grensen kalles det absolutte nullpunkt, som er ved −273,15 ℃ = 0 K.^[5][6] Ned mot denne grensen bryter klassiske, termodynamiske formler sammen og en må benytte resultater fra kvantemekanikken og statistisk fysikk.

Vanlig symbol for temperatur er T. Det finnes flere temperaturskalaer

• Kelvin (K) er SI-enheten. Kelvinskalaen har samme avstand mellom gradene som celsiusskalaen, men har null ved det absolutte nullpunkt. Temperatur i kelvin kalles også absolutt temperatur. De termodynamiske tilstandslikningene bruker absolutt temperatur.^[7]
• Celsius (℃) er nyttig til måling rundt romtemperatur. Vann fryser ved 0 ℃ og koker ved 100 ℃.^[8]
• Fahrenheit (℉) brukes i USA eller England (i mindre grad).^[9]
• I fysikk måles ofte temperatur i energienheter, som regel elektronvolt, ved å multiplisere absolutt temperatur med Boltzmanns konstant.^[10][11]

Mange typer fenomener avhenger sterkt av temperatur

• Kjemiske reaksjoner. Reaksjonshastigheten øker normalt med temperaturen.
• Faser. Hvilke faser som er stabile avhenger av temperatur. Lavere temperatur betyr mer ordnede faser.
• Indre energi. Økt temperatur betyr økt indre energi. (Derimot kan den indre energien øke uten at temperaturen øker, for eksempel i en faseovergang, se latent varme)
• Elektrisk motstand. Generelt øker motstanden med temperaturen.

I termodynamikken defineres temperatur T som forholdet mellom en langsom (kvasistatisk) overføring av varme ${\displaystyle \delta Q}$ og følgende endring av entropi ${\displaystyle dS}$ , dvs.

${\displaystyle dS={\frac {\delta Q}{T}}}$

Denne definisjonen gjelder bare nær likevekt.

Statistisk fysikk tilbyr en definisjon av temperatur som

${\displaystyle {\frac {1}{T}}=\left({\frac {\partial S(E)}{\partial E}}\right)_{VN}}$

hvor S er entropi, E er energi og derivasjonen er ved konstant volum og partikkeltall. Entropien som funksjon av energi er gitt med Boltzmanns lov. For å bruke denne definisjonen må man ha et lukket system (se mikrokanonisk ensemble).

I praksis, i åpne systemer, er det mer hensiktsmessig å innføre temperatur ved hjelp av Boltzmannfaktorer,

${\displaystyle P_{k}={\frac {1}{Z}}e^{-E_{k}/k_{b}T}}$

hvor ${\displaystyle P_{k}}$ er sannsynligheten for at en tilstand k er okkupert, ${\displaystyle E_{k}}$ er tilstandens energi og ${\displaystyle k_{b}}$ er Boltzmanns konstant. Partisjonsfunksjonen Z gir normalisering. Temperaturen gir således okkupasjonssannsynligheten til de ulike energitilstandene. Økt temperatur gir større sannsynlighet for at tilstander med høyere energi er okkupert. For en monoatomisk, ideell gass gir dette at gjennomsnittshastigheten til partiklene øker med økt temperatur. (Generelt sett er ikke hastighet et meningsfullt begrep for systemer i statistisk fysikk.)

Boltzmannfaktorene kan brukes i åpene systemer, slik som det kanoniske ensemblet og det storkanoniske ensemblet, men bare nær likevekt.

Som en kuriositet kan nevnes at det absolutte nullpunkt ikke kan nås, men negativ absolutt temperatur er mulig (Negativ absolutt temperatur må ikke forveksles med minusgrader i °C). Systemet er da ute av likevekt, og varme flyter fra området med negativ temperatur til det med positiv temperatur. Negativ temperatur tolkes dermed som varmere enn positiv temperatur (dvs. over uendelig varmt).^{[trenger referanse]}

Mennesker kan sanse temperatur, men denne sansen er ikke spesielt presis. Dermed måler man som regel temperatur indirekte ved hjelp av en annen temperaturavhengig størrelse, slik som

• Volum til kvikksølv eller en annen væske i et vanlig termometer. Volumet utvider seg når temperaturen øker.
• Elektrisk motstand i et elektrisk termometer. Motstanden går opp når temperaturen øker.
• Energispekteret til termisk stråling. Legemet sender ut mer kortbølget stråling når temperaturen øker, se Wiens forskyvningslov. Fordelen med denne er at en kan finne temperaturen til legemer langt unna, slik som solen.

• Temperatur (meteorologi)
• Termodynamikk
• Statistisk fysikk
• Entropi
• Termisk energi

• Samtidskart over global overflatetemperatur (engelsk)